JP4398519B2

JP4398519B2 - Double stage device for sample scanning

Info

Publication number: JP4398519B2
Application number: JP04163397A
Authority: JP
Inventors: サムセイバーアミン; アール．ヒーラーウィリアム; ジー．イートンスティーブン; ツァングジアン−ピング
Original assignee: KLA Corp
Current assignee: KLA Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2017-02-10
Also published as: DE69734413D1; EP1574815A3; EP1574815B1; EP1574815A2; US20050005688A1; US7100430B2; US20030089162A1; EP0790482A1; US5948972A; US6267005B1; US20010047682A1; DE69734413T2; JPH1031084A; EP0790482B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、１９９６年２月９日出願の米国出願第０８／５９８，８４８号の「試料走査用の二重ステージ装置」の一部継続出願であり、前記出願は、１９９４年１２月２２日出願の米国出願第０８／３６２，８１８号であり、以後「親出願」として参照される「探針安定センサ装置を備える一定力プロフィロメータ、双観光学系および温度ドリフト補正」の一部継続出願である。本出願は「表面形状の位置決め用装置」と題した出願と同日に出願され、以後それを「関連出願」として参照する。
【０００２】
〔発明の背景〕
この発明は、一般的に、試料や標本を走査するための器具に関し、特に、改良された特徴を有する、試料や標本を走査するための装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
ならい器具は、粗さ，波形，形態という点で表面を特徴づける目的で元々開発された。最近、前記ならい器具は、半導体装置の測定や生産管理において正確な度量衡を得るために洗練されてきた。ならい器具はまた、半導体産業以外でも使用され、例えば、光ディスク，フラットパネルディスプレイや他の装置を走査し検知する目的でも使用される。
【０００４】
前述の出願において使用される針のプロフィロメータは、カリフォルニアのマウンテンビューにあるテンコールインスツルメンツや他の製造業者から入手可能である。従来の針のプロフィロメータでは、試料はＸ−Ｙ位置決めステージに置かれ、ここでは、測定もしくは検知される試料の表面は、Ｘ−Ｙ平面に限定される。針のプロフィロメータは針の先端を含み、前記針の先端は、試料に対して、針の先端と試料の表面間の相互作用を検知するような位置に置かれている。針と針の先端は、エレベータに取り付けられ、前記エレベータは、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向に移動する。センサはＸもしくはＹ方向には移動しない。（例えば、試料の表面に平行な面の方向等。）針の先端と試料との間の相互作用は、センサによって測定される。連続してデータを取得している際、Ｘ−Ｙステージは、ある制御された方法で、針の先端の下で試料を動かし、一方で、センサが試料の表面を走査するとき、センサは試料の表面を通って、様々な試料と針の先端の相互作用を検知する。かくして、センサを用いてデータを取得している間、Ｘ−Ｙステージは、ある制御された方法で、試料を動かす。
【０００５】
「アルファステップ（商品名）」は、針のプロフィロメータの別のタイプのもので、カリフォルニアのマウンテンビューにあるテンコールインスツルメンツから入手できる。「アルファステップ」は、試料を横切る針のアームを動かすことで、試料を走査する。
【０００６】
かくして、針のプロフィロメータにより、Ｘ−Ｙ平面において、数ミクロンから数百ｍｍまでの距離の走査が可能となる。プロフィロメータ用に使用されるセンサは、通常、同様に広い動作範囲を有する。例えば、試料の高さを測定するための針のプロフィロメータでは、数オングストローム程の小ささから数百μｍ程の大きさまで、Ｚ方向における垂直な変化が検出される。重要なことであるが、高さ測定プロフィロメータは、直接高さを測定する。
【０００７】
半導体産業が、新製品が出るたびに、より小さな寸法のものへと開発が進められるので、試料を非常に細かく分析し、繰り返し走査できる走査装置への需要が高まっている。針のプロフィロメータにおけるＸ−Ｙステージの大きいサイズは、従来の針のプロフィロメータの横方向の位置決め分解力に制限を与える。かくして、針のプロフィロメータによりＸ−Ｙ方向の再位置決めを繰り返すことは、およそ１μｍに限られており、そのような装置では、繰り返し、１ｎｍもしくは１ｎｍよりも小さなＸ−Ｙ方向の位置決めができない。
【０００８】
それ故に、従来の針のプロフィロメータよりも、より正確にＸ−Ｙ方向の繰り返し可能な位置決め分解力を提供できる、改良された走査装置を提供し、また、Ｚ方向に幅広い範囲や数百ｍｍまでの長さまで走査可能であるといった多数のプロフィロメータの利点を維持することが望ましい。
【０００９】
半導体ウェーハ表面は平坦な平面であることが望ましい。そのような全体的な平面化を達成するために、化学機械的研磨（ＣＭＰ）が用いられる。ＣＭＰ処理は、タングステンプラグやブァイアホールが半導体ウェーハの表面に製造された後、通常適用される。ＣＭＰ処理が適切に機能しなければ、タングステンプラグもしくはブァイアホールにすきまを生じ、それ故に、タングステンプラグおよびブァイアホールの大きさと深さに影響をもたらす。これは、半導体ウェーハの表面に種々のキャパシタンスや電気抵抗を引き起こし、それは、逆にウェーハ上に組立てられた電子回路の作動に影響を及ぼす。この問題は、トランジスタや他の電子装置の大きさは次第に小型化されてきている大規模集積回路において特に深刻なものとなってきている。これはまた、レーザー加工されるハードディスクにも当てはまる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＰ処理の機能を検査するために、走査探針顕微鏡やプロフィロメータが使用されている。プロフィロメータがウェーハの表面の全体的な特徴を測定することが可能であるのに対し、従来のプロフィロメータは、例えば、タングステンプラグもしくはブァイアホールの形や深さを見つける分析ができない。このように、プロフィロメータ走査がタングテンプラグもしくはブァイアホールを通過しなければ、走査からの情報はそのような情報を表示しない。従来のプロフィロメータは、位置および位置決め能力に問題があり、走査で１ミクロン以下の正確な位置合わせができない。このように、プロフィロメータがＣＭＰ処理を検査するために使用されるならば、たとえ試料の全体的な平面化やウェーハ上に一定間隔で引き離された点の相対的な高さが検査されたとしても、表面の正確な局部形態は測定できない。
【００１１】
走査針顕微鏡（ＳＰＭｓ）は、走査通路で正確な１ミクロンよりも小さな特徴を得ることが可能な正確な位置決め能力を有するが、一方では、ＳＰＭ装置は、正確な長さ範囲や繰り返し可能な動きをもたず、その結果、ウェーハ表面上でかなり離れた２点の相対位置、もしくは、ウェーハ上に一定間隔で離れている２つのタングテンプラグもしくは２つのブァイアホールとの間の高さ関係を見つけるために、ＳＰＭ装置を使用することは困難である。実際、多くのＳＰＭ装置では、前記装置で通過したあらゆる振れは、背景とみなされて除かれる。たとえＳＰＭにより取得された多数の局部像が得られたとしても、表面の全体的な特徴がつかめず、そして、ＳＰＭ装置の範囲以上の距離に離れている２点間の高さの差は正確には測定できない。さらに、ＳＰＭの多数の局部像との間のデータ相関性は扱いにくく、時間がかかるものであり、資源のかなりの重複による無駄が生じる。
それ故に、上述の欠点を解消する改良装置を提供することが望ましい。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
〔発明の要約〕
本発明は、針のプロフィロメータ用に使用される従来のＸ−Ｙ位置決めステージよりもかなり精密な分解力をもつ微調整用ステージを設けることで、従来の針のプロフィロメータのもつ利点をそのまま全て生かしながら、位置決め分析がかなり改良されるという結果に基づいている。針のプロフィロメータで使用される従来のＸ−Ｙ位置決めステージに類似した特徴をもつ位置決めステージは、微調整用ステージに対して粗調整用ステージとして以下参照される。微調整用ステージは、粗調整用ステージよりもより高い分解力をもつ位置決めステージとして定義される。
【００１３】
好適な実施例において、そして本出願時において、粗調整用ステージは、最も正確で約１００オングストロームにセンサを位置させることが可能なものを意味し、微調整用ステージは、１００オングストロームよりもさらに正確にセンサを位置させることが可能なものを意味する。当業者には既知であるが、技術が進歩するにつれ、粗調整用ステージと微調整用ステージとの境界線、すなわち１００オングストロームは、次第に下げられるものである。ここに記述された方法を用いて改善された分解力を有するそのような粗調整用ステージおよび微調整用ステージもまた、本発明の範囲に含まれる。
【００１４】
本発明の第１の特徴は、試料のパラメータを検知するセンサ、センサおよび試料間に相対運動を惹起させる粗調整用ステージ、センサと試料間に相対運動を惹起させる微調整用ステージ、そしてセンサが試料のパラメータを検知している際、前記２つのステージの一方かもしくはその両方がセンサと試料間に相対運動を惹起させるように、少なくとも２つのステージを制御する制御装置を含む、試料を検知するための装置に関する。
【００１５】
本発明の別の特徴は、粗調整用ステージによりセンサと試料間に相対運動を惹起させる手段、微調整用ステージによりセンサと試料間に相対運動を惹起させる手段、センサと試料間の相対運動が２つのステージのどちらかにより惹起させられる際、試料のパラメータを検知する手段を含む、試料を検知する方法に関する。
【００１６】
しかし、本発明の別の特徴は、従来のプロフィロメータよりもより高い横方向の分解力をもつが、同時に、垂直方向において従来のプロフィロメータの幅広い範囲を維持する装置に関する。そのような装置は、試料のパラメータを検知するためのセンサを含み、前記センサは、試料の表面パラメータを検知するための針の先端を有する針のアーム、針のアームが蝶番の回りを回転できるように針を支持する蝶番、そして針のアームに力を加える手段を含む。さらに、前記装置は、センサと試料間に相対運動を惹起させる微調整用ステージを含み、前記微調整用ステージは、１ｎｍよりも精密な分解力を有する。
【００１７】
さらに、本発明の別の特徴は、試料表面の特徴を１つ以上測定する方法に関し、（ａ）表面上の第１の走査通路に沿って、プロフィロメータもしくは走査探針顕微鏡の第１のプローブの先端で走査し、第１の特徴での第１データを供給するために、第１の特徴を検知し、そして（ｂ）表面上の少なくとも第２の走査通路に沿って、第２のプローブの先端のプロフィロメータもしくは走査探針顕微鏡の第２のプローブの先端で走査し、少なくとも第２の特徴での第２データを供給するために、少なくとも第２の特徴を検知し、前記第２の通路は、前記第１の走査通路よりも短いものである。第２の走査ステップ中の走査の分解力は、第１の走査ステップ中よりも高いものである。
【００１８】
本発明のもう一つの特徴は、試料を測定する装置に関し、２つのセンサを含み、１つはプロフィロメータの使用に適しているものであり、他方は走査探針顕微鏡に適しているものである。つまり、２つのセンサと試料間に相対運動を惹起させる粗調整用ステージ用と、２つのセンサと試料間に相対運動を惹起させる微調整用ステージ用に適しているということである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔好適な実施形態の詳細な説明〕
図１は、本発明の好適な実施例を説明するための二重ステージ走査装置１００の略図である。センサ組立６０が試料もしくは標本９０よりもかなり軽いものであることから、微調整用ステージ７０によりセンサを支持し、標本もしく試料を支持するための粗調整用ステージ８０のＸＹ部分８０ｂを使用することが望ましい。微調整用ステージは、粗調整用ステージのＺ部分８０ａに同様に接続され支持されている。かくして、図１に示されているように、走査装置１００は、微調整用ステージ７０に接続され支持されているセンサ組立６０を含み、同様に、前記微調整用ステージ７０は、粗調整用ステージ８０のＺ部分８０ａに接続され支持されている。試料９０は、粗調整用ステージ８０のＸＹ部分８０ｂにより支持されている。粗調整用ステージ８０のＺ部分８０ａとＸ−Ｙ部分８０ｂは、図１に示されているように、台１０２に接続され支持されている。
【００２０】
微調整用ステージ７０は、約１から５０オングストローム（０．１から５ｎｍ）の表面分解力をもつが、１００もしくは１０００オングストローム（１０もしくは１００ｎｍ）の表面分解力は、いくつかの応用に適している。粗調整用ステージ８０の表面分解力は、好ましくは約５０から１００オングストローム（５から１０ｎｍ）であり、垂直分解力は、約１０から５０オングスローム（１から５ｎｍ）であるが、１μｍの表面および垂直分解力はいくつかの応用に適している。
【００２１】
粗調整用ステージは、約１μｍから数百ｍｍ、例えば５００ｍｍまでの走査範囲をもつ。微調整用ステージが約０．０１から５００μｍの走査範囲をもつ一方で、前述した粗調整用ステージの走査範囲を加えることで、二重ステージ装置１００は、約０．０１μｍから数百ｍｍ、例えば５００ｍｍの走査範囲をもつことになる。このことは以下でさらに詳細に説明される。センサ６０は、粗調整用ステージの垂直動作範囲を少なくとも約５００μｍ調整することが可能である動作範囲をもつタイプのものである。
【００２２】
装置１００は、試料を検知するために多数の方法で使用される。このように、装置１００は、従来のプロフィロメータと同じ方法で使用される。微調整用ステージ７０が動作しなくなることで、粗調整用ステージ８０はセンサ組立６０により試料９０を走査するための従来のプロフィロメータと同じ方法で使用される。センサ組立６０が試料９０の表面の高さの大きな変化、数百ｍｍ程の長さである長い走査を超えるような変化を収容するのに十分な適切な動作範囲をもつので、これが可能となる。
【００２３】
別の可能な動作方法は、微調整用ステージが動作しない間、センサ組立６０を動かすのに粗調整用ステージを使用することであり、一方で標本もしくは試料９０の分解対象域を位置決めするための従来のプロフィロメータと同じ方法で試料を検知する。そのような対象域が位置決めされた後、粗調整用ステージは動作しなくなり、微調整用ステージが動作し、高分解度で対象域を走査するために使用される。言い換えれば、２つのステージは試料のパラメータが検知される間、センサを動かすために連続して使用される。
【００２４】
さらなる別の可能な動作方法は、微調整用ステージ７０と粗調整用ステージ８０の両方をほとんど同時に動作させることであり、両ステージがセンサ組立と試料９０間をほとんど同時に相対的に動いている間、センサ組立６０は試料９０のパラメータを検知するのに使用される。このように、粗調整用ステージのＸ−Ｙ部分８０ｂは、Ｘ軸に沿って試料を動かすために使用される一方で、微調整用ステージ７０は、Ｙ軸に沿ってセンサ組立６０を動かすために使用される。両ステージがセンサ組立と試料間を相対的に動いている間、センサ組立６０は、１つ以上の試料のパラメータを検知するために使用される。この方法で、粗調整用ステージ８０のＸ−Ｙ部分がＹ方向に動かないことから、微調整用ステージ７０の分解力は、センサ組立６０がＹ方向に沿って試料のパラメータを検知するとき、制御されるのである。それから、Ｘ方向に沿って同じ分解力を得るために、粗調整用ステージのＸ−Ｙ部分８０ｂはＹ方向に沿って試料を動かすために使用されるが、Ｘ方向には動かず、一方で、微調整用ステージは、Ｘ方向に沿ってセンサ組立６０を動かすために使用されるが、Ｙ方向には動かない。この方法で、高い分解力がＸおよびＹの方向に沿って達成されるのである。さらなる作動方法は、以下に詳細に記述される。
【００２５】
図２は、本発明を説明するための、二重ステージ走査装置とその制御およびディスプレイ装置のブロック図である。図２は、図５に示されたもののような、装置の実施例を制御するために、わずかながら修正される必要がある。
【００２６】
図２に示されるように、微調整用ステージ７０は、微調整用ステージ制御装置１１０によって制御されている。粗調整用ステージのＺ部分８０ａは、粗調整Ｚ制御装置１１２により制御されており、そして粗調整用ステージのＸ−Ｙ部分８０ｂは、粗調整Ｘ−Ｙ制御装置１１４により制御されている。センサ組立６０と試料９０は、センサおよび試料制御装置１１６により制御される。このように、制御装置１１６は、制御された周波数で試料に電圧を印加し、そして振幅または電気信号が前記試料から検知される。記憶装置１１８は、センサ組立６０からのデータを記憶するために使用される。記憶装置１１８はまた、制御装置１１０，１１２，１１４，１１６からＸＹＺ位置決め情報を受け、その結果、検知された試料のパラメータはセンサ組立６０のＸＹＺ位置に相関性をもつものであり、それ故に、試料９０の位置と相互に関連する。システム制御装置１２０は、全システムを制御し、ディスプレイ用のモニタ１２２へ情報を供給するために使用される。このように、制御装置１１０〜１１６からの位置決め情報とともに組立６０により送られたパラメータは、フライバイシステム制御装置１２０で処理され表示されるか、もしくは、そのようなデータは、記憶装置１１８に記憶され、後で処理され表示される。システム制御装置１２０および制御装置１１０〜１１６は、これから記述されるように、組立６０が種々の動作を実行することができるように使用される。ここに記述されている前記機能に基づいた制御装置１１０〜１２０を実行することは、慣用されたものであり、当業者には既知のものである。
【００２７】
図３Ａ、３Ｂ、４Ａ〜４Ｄおよび５は、微調整用と粗調整用ステージおよびセンサ組立６０の異なる実施例を示している。図３Ａは、微調整用ステージとセンサ組立の１つの実施例の斜視図である。図３Ａにおいて、微調整用ステージ７０' は圧電管１３２を含む。図３Ｂの実施例は、微調整用ステージ７０''が１つではなく、２つの圧電管１３２を含むという点で、図３Ａとは異なる。センサ組立の同様な実施例６０' は、図３Ａ，３Ｂ，４Ａ〜４Ｄおよび５に示されている。センサ組立６０の１つの実施例６０' の構造と図４Ａ〜４Ｄを参照して以下に記述される動作は、本質的には親出願からきたものである。
【００２８】
図４Ａを参照すると、ダイヤモンドの針の先端１１は、０．０１ｍｍかもしくはそれよりも小さい半径であり、直角に曲げられた細いステンレス製の鉄線１３の終端に付けられている。前記ワイヤの半径は、約０．２５ｍｍである。ダイヤモンドの先端は、ワイヤ１３の直角に折り曲げられた端部に接着して設けられ、一方で、ワイヤ１３の他端は延長された空洞のアルミニウム製アーム１５に挿入され、前記アームは、約２ｃｍの長さであり、内壁の半径は約０．０１８ｃｍである。アルミニウム製のアームは、実質的に堅くて曲がらないものであるので、高さを検知するステップで曲げられないが、前記アームは実質的に低質量であるので、慣性モーメントが低く保たれる。アーム，ワイヤおよびダイヤモンドの先端の全質量は、およそ０．０５グラムを超えないことが望ましい。アーム１５は、支持ブロック１９にはめ込まれ、そして支持ブロック１９にはめ込まれているたわみピボット２１に操作可能に接続される。この方法で、アルミニウム製のアーム１５は、たわみピボット２１の回りに回転の中心がある。たわみピボット２１は、標本もしくは試料１０のような測定される表面に向かって、針の先端１１を下方向に軽く支持するのに十分なねじれ力をもっている。ピボットの針側にある全質量は、以下に記述されるレバー５９を含めて、０．５０ｇを超えないものが好ましい。
【００２９】
電気ソレノイドコイル５１は、プラスチック製ボビン５０の回りにあるワイヤコイル５３を含む。使用されるワイヤは、数千回巻くことができる細い銅線が好ましい。コイル５１は、図４Ｂに示されているように、ワイヤ５５により電流の印加により磁化される。磁化されたコイル５１は、アルミニウム製レバー５９の強磁性の先端を引きつける。レバー５９は、支持ブロック１９にはり付けられた強磁性の先端とは反対の終端をもつ。強磁性の先端は、好ましくは磁石であり、ネオジウム鉄ホウ素磁石のような、非常に強い磁性をもち、その大きさの割りには大変に強い磁界をもつ材料で作られる。磁石５７は、図４Ａ〜４Ｃにおいて示されているように、支持ブロック１９とは反対のレバー５９の終端に付けられたホルダ５２に示されている。レバー５９は、磁石５７がたわみピボット２１上に位置するように曲げられるのが好ましい。ワイヤ５５に電極を印加すると、コイル５１が磁化されることで、磁力がレバー５９に作用して、前記レバーに、コイル５１の中心の方へもしくは中心から離れる方向の力バイアスがかけられる。レバー５９は軽量であるが、硬いものなので、前記レバーは磁気力を加えても曲げられない。磁石５７および磁気コイル５１は、本発明の針力バイアス手段の一部である。
【００３０】
磁石５７が動くにつれ生じる種々の力は、最小限度におさえられ、そして前記力の大きさは、頂点の磁界勾配の近くに、例えば、コイル５１の軸上やコイル巻の終端平面に近接した場所に、磁石５７を置くことで最大限にされる。本発明の好適な実施例において、磁石５７はコイル巻５１から引き離されて置かれることで、磁石がコイルの中心孔の中に進むのを阻止する。最も近い位置では、磁石５７は、ほとんどコイル５１に接触しそうな状態である。前記の磁石配置により、磁石の位置が容易に調整できる。替わりに、磁石５７は、コイル５１の中心孔に入るように置くこともできる。このことにより、磁石の移動範囲が磁界勾配が最高の状態で中心に配置されることになるが、コイル５１と磁石５７を正確に一列にすることが必要となる。
【００３１】
ネオジウム鉄ホウ素材料のような磁石５７用に大変強力な材料を使用することで、前記磁石は大変小さく軽量にすることが可能であるが、それでも十分な力を発生することができる。好適な実施例において、磁石は、直径３ｍｍで、厚さ１．５ｍｍである。ここでの低電流は、コイルの電力損失を最小にし、生じる熱を最小限にすることができる。これは、同様に、センサ組立を含む部材の熱的に誘導された膨張および収縮を最小限に抑える。これらの熱誘導されたサイズ変化は、試料もしくは標本の測定されたプロファイルに望ましくないドリフトを引き起こす。
【００３２】
好適な実施例において、支持体７１の下側に、１組の間隔を保って引き離された平行コンデンサ板３５と３７の高さを調節する働きをする変換器支持体７２が設けられている。前記板間の間隔は、板間のエアギャップを含め、およそ０．７ｍｍである。表示されていないが、小さなスペーサが板３５と板３７を引き離しており、２つの板を変換器支持体７２にしっかりとねじでとめている。前記板の広がりは、外部空間から羽根４１を遮蔽するのに十分な大きさであるため、前記羽根は空気が近接に間隔を保った板間に瞬間的に閉じ込められ圧縮されるために運動の制限を受けることになる。図４Ｂの一組の電線３９は平行板にそれぞれ接続されている。平行板の間に、低質量の導電性の羽根４１が間隔を保って保持されており、平行板３５と３７のそれぞれにコンデンサを形成している。図４Ｂの矢印Ａにより示されている羽根の動作範囲は、±０．１６ｍｍである。さらに、羽根４１は、支持ブロック１９とたわみピボット２１に接続されており、羽根による制動ピボット動作により、平行板間の空気が圧縮される。この羽根の制動動作により、アーム１５への振動や衝撃が減少される。羽根４１は、支持ブロック１９の後方に伸びたものであり、針のアーム１５の反対側であり、アームを平衡させるパドル４３に接続されている。ピボットの羽根側にある羽根、パドルそしてピボット部材の総質量が、約０．６ｇを超えることは好ましくない。板３５と３７間の羽根の動きにより、探針チップの動きを指示する静電容量が変化する。そのような動作変換器は、ウィーラーの米国特許第５，３０９，７５５号に示されている。
【００３３】
支持体７１，Ｌ形ブラケット７３，そして変換器支持体７２の図示されている構造は、本発明のセンサ針組立を支持するための構造の一例である。さらに、針の変位測定手段もしくは針の先端に対して設置された上記の動作変換器は好ましいものであるが、針の先端の動きを支持する同等な手段に代替可能である。
作動中、針の先端１１は、パターン化された半導体ウェーハのような測定対象の表面を走査する。走査は、固定されたウェーハの位置に対して針のアームフレームを動かすか、もしくは、かわりに固定された針の位置に対して微調整用そしてまたは粗調整用ステージのようなＸ−Ｙ位置決めウェーハステージ上のウェーハを動かすか、もしくは前記２つの動作を合わせた形で実行される。最後の例では、針のアームはＸ方向に直線に動かされている一方で、ウェーハは、Ｘ方向に長く走査した後、Ｙ方向に進む。針の先端１１は、コイル５１からレバー５９へ加えられた適切なバイアスにより安定した力でウェーハの表面に接触したまま維持される。前記バイアスは、接触を維持できるほどの大きさであることが好ましいが、測定表面に損害をあたえるほどの大きさであってはならない。チップ１１のゆがみは、測定表面の形態の相違により生じ、これらは、たわみピボット２１から羽根４１へと後方に伝わる。羽根４１は、平行板３５と３７間の空気変位による振動のため、望ましくない多大な動きに抵抗する。しかしながら、空気が圧縮され移動させられるので、羽根４１は電線３９で信号を生じてかすかに動き、これらの電線に接続された電気ブリッジ回路に変化を及ぼす。走査の終了時には、先端１１は、ウェーハの形態が変化する場合におこるダメージから保護するために上げられる。
【００３４】
アーム１５，ワイヤ１３，そして先端１１を組み立てる際に、慣性モーメントができるだけ小さく維持されることが望ましい。質量と半径の二乗の積は、約０．５ｇ−ｃｍ²を超えないことが好ましい。現在のデザインは、質量と半径の二乗の積が０．４２ｇ−ｃｍ²である。前記半径は、たわみピボット２１の中心に対して、鉄線１３の最も離れている半径位置で測定される。同様な慣性モーメントが羽根４１およびレバー５９に関して計算される。前記モーメントの合計は、針のアーム全体の慣性モーメントと言われる。低慣性モーメントを維持することによって、針のアームは振動に対する感度がより低くなる。それ故に、薄いフィルムのようなもののプロファイルを測定する際の高い分解力は、この好適な実施例により達成される。
【００３５】
本発明は従来の技術を改善したものといえ、その理由は、本発明によって、針が垂直方向に動くにつれて、駆動コイル電流の動作範囲の変動が可能となり、それにより従来の装置での針の力のばらつきが除去されるからである。本発明の装置は、駆動電流を使用中でない針を正規の離れた位置に移動させることにより位置対駆動電流のセットの表を作ることにより較正される。そのテーブルは、データを多項式曲線合わせ近似値に提供することができる。図４Ｄのデジタル信号処理装置８４は、そこにある標本で位置測定が行われているときに、前記力のセッテイングをある範囲で変化させるために、前記曲線合わせを用いる。正の一定の力が、一定電流のずらしを合わせられた多項式に加えることで生じ、その結果、直接の合わせが力をゼロにする。
【００３６】
図４Ｄは、上記の針の力を調整する電子装置のブロック図である。電気信号は、動作変換器８１により発生させられ、例えば、平行板３５と３７に接続されている羽根４１が、針の先端１１が標本１０と連携していない間、データ点を作る特別な垂直位置用に信号調整回路８２内で選択され記憶される。針の先端１１がたわみ、例えば、ねじればねにより支持されるので、データ点は、ばねの法則Ｆ＝ｋｘにより、力にそのまま比例する。それから、信号は変換器８３によりデジタルに変換され、デジタル信号処理装置８４はデータ点の多項式曲線を発生する。前記曲線は、プロファイルを測定している間、針の先端１１上に望ましい力を表すために、処理装置８４により調整される。調整曲線は変調支持を出し、例えば、フィードバック信号であり、それは変換器８５によりアナログに変換され、コイル５１を駆動する回路８６からの信号を、一定の針の力を維持するため変調電流８７を駆動コイル５１に伝える。
【００３７】
上述したセンサ組立６０の１つの実施例６０' は、親出願のものである。図１，３Ａ，３Ｂ，５に関して、組立６０' が用いられる場合、微調整用ステージ７０，７０' ，７０''と粗調整用ステージのＺ部分１３４はセンサ組立６０' の支持体７１に接続されて設けられている。本発明の別の特徴は、図４Ａ〜４Ｄの微調整用位置決めステージとセンサ組立６０' を組み合わせることである。そのような組合せは、１ｎｍかそれよりも高い、微調整用Ｘ−Ｙもしくは横方向の、分解力をもつ利点があり、また従来のプロフィロメータの幅広いＺもしくは垂直動作範囲を維持する。
【００３８】
図４Ａ〜４Ｄに示された磁力バイアス装置のかわりに、２つの静電板９３を含む静電力バイアス装置９１が使用される。図４Ｅに示されているように、アーム１６２はコネクタ１６６ａを通して、支持部１５０に支持されている２つの板９３の間に置かれた偏向板９５に取り付けられる。電圧供給（図示せず）は、適切な電圧を２つの板９３に印加するために使用され、針の先端１６４が試料もしくは標本に望ましい変化をもつか、あるいは一定の力を加えることが可能になる。望ましい力は、図４Ｄに参照される磁力バイアス用の上述されたものと同じ方法で制御される。
【００３９】
図３Ａ，３Ｂに関して、圧電管１３２はそれぞれ軸１３２' をもつ。前記管の一端は、支持板１３４に取り付けられている。適切な電圧がそれぞれの管１３２に印加されると、管は基板１３４に対して軸１３２' に平行な方向に曲げられるため、センサ組立６０がＸ−Ｙ平面の方向に動くことになる。適切な電圧はまた、管が軸１３２' に平行な方向に膨張するか収縮するように管１３２にそれぞれ印加される。この方法で、管１３２の各々は、Ｚ軸に沿ってセンサ組立６０を動かすように制御される。この方法は、レビューサイエンスインスツルメンツ（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）の５７（８）、１９８６年８月号の１６８８〜１６８９ページのビニングとスミスによる「走査型トンネル顕微鏡用の単一管三次元走査」において詳細に説明されている。それ故に、どのように管１３２が三次元空間において組立６０をあらゆる方向に動かすように制御されるのかという詳細な説明は、ここでは省くことにする。
【００４０】
管の弓形の動きは非直線的であり、Ｚ方向にエラーを生じる。このことは、Ｚ方向においてセンサ組立６０の位置を測定するための静電装置１３６を使用することで、そしてあらゆるＺ方向の動きを微調整用ステージ制御装置１１０に帰還することで解消される。静電装置１３６以外の装置はまた、当業者に既知のものとして使用される。
【００４１】
図１，３Ａ，および３Ｂに示されているように、微調整用ステージ７０，７０' ，７０''は基板１３４に接続されており、前記基板は、図１に示されている粗調整用ステージの８０ａのＺ方向に取り付けられている。１つの特別な実施例において、管１３２の内面と外面は四分円に分けられている。ビニングとスミスとは異なり、前記四分円の外面にのみ圧力を印加せずに、四分円の内面にも適切な電圧が印加される。これは、管の動作範囲を２倍にする効果がある。かわりに、より短い管が同じ動作範囲を得るために使用される。より短い管はまた、センサ組立の機械的な共振周波数を増加させ、それにより、微調整用ステージの動作がより速くなる。
【００４２】
図３Ｂの実施例は、センサ組立６０が２つの管１３２に取り付けられ、標本もしくは試料の表面に対してセンサ組立の位置の、より高速な走査およびより効果的な制御が可能となるという点で図３Ａよりも利点をもつ。図３Ｂの実施例において、センサ組立６０は、ステンレス鋼羽根を含むたわみ蝶番１３８により２つの管１３２に接続される。
【００４３】
いくつかの応用において、試料もしくは標本を動かす微調整用ステージを使用することは望ましい。これは、図５に示されている。図５に示されているように、試料９０は、粗調整用ステージのＸ−Ｙ位置８０ｂにより接続され支持されている３つの圧電管１３２により支持されている。センサ組立６０は、基板１３４に直接取り付けられており、前記基板１３４は、粗調整用ステージのＺ部分８０ａに取り付けられている。粗調整用ステージの両部分は、固定基準とされる台１０２に取り付けられ、支持される。この実施例において、センサ組立は、粗調整用ステージのＺ方向にのみ動かされる一方で、試料９０は微調整用ステージと粗調整用ステージのＸ−Ｙ部分の両方により動かされる。
【００４４】
図６は、図１，２，３Ａ，３Ｂおよび５のセンサ６０の別の実施例であるセンサ６０''の略図である。センサ６０''は、試料の表面の高さを検知する先端を含むだけでなく、熱変動，静電，磁気，光反射率，もしくは試料か標本の光伝送パラメータ等の一つ以上の付加的パラメータを検知する第２のセンサを含むという点で、図３Ａおよび図３Ｂのセンサ６０' とは異なる。図６に示されているように、センサ組立６０''は、高さセンサ１６０や第２センサ１７０を支持する支持部１５０を含む。高さセンサ１６０は、終端１６２ａ，１６２ｂをもつ針のアーム１６２を含み、針の先端１６４はアームの終端１６２ａに接続されている。高さセンサ１６０はまた、力制御装置１６６と試料表面の様々な高さにより生じる針のアームの偏向量を検知するための偏向センサ１６８を含む。偏向センサは、図４Ａ〜４Ｅにおいて記述されているように、磁気的もしくは容量的である。他の偏向センサ構成もまた使用され、本発明の範囲内である。
【００４５】
図６に関して、針のアーム１６２は、蝶番１８２で支持部１５０により回転され支持されるため、アームが回転すると、アームの終端１６２ａが少なくとも約５００μｍの動作範囲をもつようになる。力制御装置１６６は、上述したように、磁気もしくは容量バイアス装置１６６ｂおよび装置１６６ｂをアーム１６２に取り付けるコネクタ１６６ａを含むことが好ましい。
【００４６】
針の先端１６４と試料表面との間の相互作用により、アーム１６２が蝶番１８２の回りを回転する。アーム１６２が回転することで、終端１６２ｂの背面が偏向センサ１６８から離れたり近づいたりする。終端１６２ｂのそのような動きは、試料表面の高さを直接測定するために、上述したようにセンサ１６８により検知される。
【００４７】
センサ組立６０''の一つの特別な実施例として、容量センサとして偏向センサ１６８が図７Ａに示されている。言い換えれば、容量センサ１６８ａは、実質的には、上述された図４Ａ〜４Ｄのセンサ６０' と同じ方法で機能する。アームの終端１６２ｂが静電板２０２に近づき、静電板２０４から離れると、終端もしくは羽根１６２ｂは板２０２と２０４間の静電容量を変化させ、これは、先端１６４と相互に作用する試料の表面上にあるくぼみを示すとき、検知される。それとは反対の方向に終端１６２ｂが動くと、静電容量の変化が生じ、チップ１６４と相互に作用する試料表面のもりあがりや上向き斜面を示す。図４Ａ〜４Ｄ，１１に関して上述され、以下で説明されるように、力制御装置１７０は、針の先端１６４と試料表面との間の力を制御するために使用される。
【００４８】
図７Ｂは、センサ６０''の別の実施例を示しており、偏向センサは線形電圧差動トランス（ＬＶＤＴ）センサである。図７Ｂに示されているように、アームの終端１６２ｂが動くとき、アームは蝶番１８２の回りを回転し、アームの終端１６２ｂに取り付けられているコア２１２は、ＬＶＤＴセンサのコイル２１４により囲まれている空間に入るかもしくは出る動きをとる。これにより、針の先端１６４と相互に作用する表面の高さの直接表示として、コイル２１４を流れる電流が変化する。
【００４９】
図７Ｃはセンサ組立６０''の別の実施例であり、偏向センサ１６８ｃは光源２２２、そしてアーム１６２の終端１６２ｂの上面にあるミラー２２６に光源から光を照射するための入力光ファイバ２２４を含む。そのような光は、検出光ファイバ２２８の方へミラーにより反射され、前記光ファイバ２２８は、反射光を光検出器２３０に照射する。終端１６２ｂが動くと、ミラー２２６により反射され、検出ファイバ２２８および検出器２３０により取られた光が変化し、それにより、再度針１６４と相互に作用する表面の高さ変化を直接表示する。ファイバ２２４と２２８は、図７Ｄに示されているように、支持プローブ本体２２９で取扱いやすいように、一緒に固められている。センサ１６８ｃ用に使用される適切な装置は、イスラエルのアシュケロンにあるフォン・オール会社の光ファイバ近接センサ、メリーランド州のアーノルドにあるフィレテック会社のシリーズ８８光ファイバ変位センサを含む。
【００５０】
図６に示されているように、一つ以上の第２センサ１７０は、支持部１５０に取り付けられており、第２センサは、試料の高さが針の先端１６４や偏向センサ１６８により検知される位置で試料の高さ以外のパラメータを検知するような位置に設置される。
【００５１】
図８Ａは、センサ組立６０''の略図であり、第２センサは試料を横切り、熱変化を検知する。第２センサは、針の先端１６４に埋め込まれている一組の熱電対ワイヤ２５２，２５４を含む。一組のワイヤ２５２，２５４は、熱電対センサ２５６に接続されている。図８Ａにある第２センサの部分がより詳細に図９で説明されている。
【００５２】
図８Ｂは第２センサの特別な実施例であるセンサ６０''の略図である。図８Ｂに示されているように、第２センサは静電センサであって、伝導コア２６２を含み、前記コアおよび前記遮蔽は絶縁層２６６（図示せず）により分離され、前記コア，遮蔽および絶縁層は全て、図１０に示されているように、針の先端１６４に埋め込まれている。前記コアはワイヤ２７２を通して、そして前記遮蔽はワイヤ２７４を通してセンサ２７６に接続される。それ故に、針の先端１６４により検知された場所での試料の静電電荷変化はセンサ２７６により検知される。図１０には、埋め込まれている伝導コア２６２，導電遮蔽２６４および絶縁層２６６を含む針の先端１６４の構造が詳細に説明されている。前記針の尖った終端２６８は、絶縁層もしくは遮蔽２６４により形成される。
【００５３】
図８Ｃは、センサ組立６０''の別の実施例であり、第２センサは、光源３０２をもつ光強度反射センサを含み、前記光源は、銀ハーフミラー３０４を通して、針の先端１６４と相互に作用する位置の試料へと供給する。そのような位置で試料により反射され拡散された光は、高さ変化が検出される場所で、試料の光反射率もしくは拡散特性を検知するために、光検出器３０６により検出される。光検出器３０６が光源３０２に対して試料の反対側に設置されるならば、図８Ｄのセンサ配置が光伝導特性をかわりに検知するのに使用される。この場合に使用される針の先端１６４は、透明なものが好ましい。
【００５４】
図１１は、組立の好適な実施例を説明するセンサ組立４００の平面図である。全センサ組立は、シリコンもしくはシリコン酸化物の平板片で製造される。半導体産業において使用される従来の技術により、シリコンもしくはシリコン酸化物の板は、より広い部分３６２' とより狭い部分３６２''をもつアーム３６２を形成するようにエッチングされる。前記のより細い部分３６２''の終端には、好ましくはダイヤモンドで作られたチップが取り付けられている。アーム３６２は、駆動コイル３７２を支持するための支持部３７０からなる。アーム３６２と共に支持部３７０は、２つの蝶番３７４により板の残りの部分に接続されている。駆動コイルは支持部３７０の表面に設置され差し込まれている伝導部材の層を含む。好ましくは、部材の層は螺旋の形をしている。磁石３８２は、駆動コイルに近接して支持部３８４に取付けられている。この方法で、電流が駆動コイルを通過すると、駆動コイルと磁石の間の電磁相互作用により力が支持部３７０に加えらえる。支持部３７０がアーム３６２と一体に設けられ、両方が蝶番を通して支持部３８４に取り付けられるので、支持部３７０に加えられる力はまた、アームにも加えられる。すなわち、磁石および駆動コイルは、米国特許第５，３０９，７５５号の強磁性の先端５７やソレノイドコイル５１と同様な機能をもつ。
【００５５】
センサ４００は、蝶番を除いて、約０．１〜０．２ｍｍの厚みをもつ。アーム３６２は、およそ１５〜１６ｍｍの長さである。蝶番３７４はおよそ０．０２ｍｍの厚みである。アーム支持蝶番組立は、約１〜５０ｋＨｚの共振周波数をもつ。
【００５６】
図１２は、圧電スタックを用いる微調整用ステージの１つの実施例を示すためのものであり、微調整用ステージ部分の平面図である。図１２に示されているように、この微調整用ステージの実施例４００は、支持フレーム４０２やセンサ組立６０に接続されるか取付けられている移動フレーム４０４を含む。前記移動フレーム４０４は、８つのたわみ蝶番４０８と同様に４つの圧電スタック４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，４０６ｄにより支持フレームに接続されている。圧電スタック４０６ａ，４０６ｃは、支持フレームに対してＸ軸の正か負の方向に沿って移動フレーム４０４を動かすために使用され、そして圧電スタック４０６ｂ，４０６ｄは、支持フレームに対してＹ軸の正か負の方向に沿って移動フレームを動かすために使用される。この構造において圧電スタックを使用することは、圧電管を使用する上で利点をもつ、なぜなら、圧電スタックにより、Ｚ方向に最小の誤差でＸ−Ｙ平面において移動フレームと支持フレームとの間に相対動作が惹起されるからである。このように、圧電スタックを使用することで、Ｘ−Ｙ平面からの動きは５アークよりも小さい場合もある。容量センサ（図示せず）はステージのあらゆるクロストークや非線形を検知するために使用され、そして、クロストークや非線形を修正するために、図２の微調整用ステージ制御装置１１０にフィードバックされる。Ｚ方向での誤差を減らすことで、Ｚ方向での動きのフィードバック制御装置と同様にＺ方向での動きを検知するために分離したセンサによって生じた複雑さが減少させられる。Ｘ−Ｙ位置決め用の圧電スタックを使用する適切な装置は、ドイツ連邦共和国のヴァルドブロンにある物理研究所（ＰＩ）有限会社のＰ−７３０かＰ−７３１である。
【００５７】
〔動作モード〕
いくつかの動作モードはすでに上述されている。このように、二重ステージ走査装置は、微調整用ステージの効力を完全になくすことで、従来の針のプロフィロメータのように使用される。替わりに、二重ステージ走査装置は、関心領域を見つける針のプロフィロメータとして最初は使用される。そして、粗調整用ステージと微調整用ステージの両方が、センサ組立と試料間に相対運動を惹起させるように動作する。上述したように、Ｘ−Ｙ位置決めの微調整用ステージで高分解力を維持するために、粗調整用ステージの方向に対して垂直な方向に、センサ組立と試料間に相対運動を惹起させるように微調整用ステージを使用することが望ましい。
【００５８】
試料表面の高さプロファイルを得ることは望ましく、微調整用ステージが粗調整用ステージの方向に対して垂直な方向に相対運動を惹起する上述した方法は、試料表面の対象部分をカバーするために制御される。これは図１３において図示されている。図１３に示されているように、微調整用ステージは、Ｙ軸に沿ってセンサ組立と試料間に相対運動を惹起するように制御されており、粗調整用ステージはＸ軸に沿ってそのような相対運動をしている。
【００５９】
図２の制御装置１１０〜１２０がアナログ回路で実行されているのに対して、好適な実施例において、これらの制御装置はデジタル回路で実行されている。そのような場合、モータもしくは位置決めアクチュエータは、別々の方法でセンサ組立と試料間に相対運動を惹起させるように微調整用および粗調整用ステージにおいて使用される。図１３に示されているように、微調整用ステージの動作を達成するためのモータは、粗調整用ステージの動作を制御するためのものと比較すると、かなり高い頻度で制御されるため、試料に対してセンサ組立の相対運動の結果は、図１３に示されているようにジグザグの通路となる。また図１３に示されているように、２つのステージはセンサ組立と試料間の相対運動がジグザク通路４５０になるように制御されており、前記通路４５０は、実質的に一定の振幅でライン４５２を往復するので、ジグザグ通路４５０は実質的に長方形部分をカバーすることになる。替わりに、２つのステージは、ジグザグ通路が長方形でない部分をカバーするように制御される。ジグザグ通路が他の形の部分をカバーするような２つのステージの制御方法は、当業者には既知のものであり、ここでは詳細に説明しない。
【００６０】
上述されたように、１つ以上の試料の特徴は、相対運動が微調整用と粗調整用ステージの両方でセンサと試料間で惹起されている間、検知される。センサは、２つのステージによるセンサ組立と試料間の相対運動の速度とは独立した検知速度で動作する。さらに明確に示すと、２つのステージは１つ以上の頻度で相対運動を惹起させており、センサの検知速度はそのような頻度とは独立しており、そのような頻度に対して非同期性である。センサは、粗調整用ステージがある方向に相対運動を惹起させ、微調整用ステージがその方向に相対運動を惹起させないときに、１つ以上の特徴を検知するために使用される。替わりに、センサは、微調整用ステージが別の方向に相対運動を惹起させ、粗調整用ステージがその方向に相対運動を惹起させないときに、１つ以上の特徴を検知するために使用される。
【００６１】
１つの特別な動作モードで、１つもしくは２つのステージは、センサ組立が試料表面に対して予め定められた位置にあり、最初の像位置を決定するまで、センサ組立と試料間に相対運動を惹起させるように使用される。そして、センサ組立と試料間の相対運動が惹起すると、センサ組立は、走査する試料表面に平行な最初の方向に移動する。接触モードにおいては、例えば、試料表面の高さ変化を検知することが望ましい場合、試料に対してセンサ組立の予め定められた位置は、センサ組立の針の先端が測定されるか検知される試料表面に接触している位置にある。非接触モードにおいては、例えば、高さ変化以外の試料の特徴を検知する場合、予め定められた位置は、センサ組立が試料に接触していない状態である。接触もしくは非接触モードのどちらかにおいて、微調整用と粗調整用ステージの制御装置は一定力で作動され、偏向センサ１６８の出力は図６の力制御装置１６６にフィードバックされるため、一定力は針の先端１６４および試料表面間に印加される。替わりに、接触と非接触モードの両方において、前記フィードバックは切られるか、一定の高さモードは大変少量にする。
【００６２】
さらなる別の有用な動作モードにおいて、微調整用および粗調整用ステージの一方か両方は、針の先端１６４と試料表面がお互い近づくように、相対運動を惹起させるように使用される。この動きは、針の先端が表面のコンプライアンスを測定するために試料表面に接触状態になった後、持続する。上述の図４Ａ〜４Ｄの磁気バイアス構成を使用し、駆動コイルに印加される電流を増加することで、針の先端は試料表面に偏向される。アームの偏向と力のプロットは、印加された力に対して表面が反応する量を示す。表面がプラスチックで柔らかければ、同一の力は硬い表面と比較してより大きな偏向を引き起こし、そして逆もまた同様である。
【００６３】
針の先端１６４と相互に作用する試料表面の位置で、試料表面の高さ変化以外の１つ以上の特徴を測定するために、第２センサを使用することにより、１つ以上の表面位置での高さや、１つ以上の位置での試料の別の特徴を実質的に同時に検知するために、この応用の走査装置を使用することが可能となる。これは、微調整用および粗調整用ステージの両方を使用するか、もしくは両方を使用せずに行われる。言い換えれば、粗調整用ステージのみか、もしくは微調整用ステージのみのいずれかを使用することが可能であるので、試料表面に対して特別な位置にセンサ組立を設けることで、試料表面のそのような位置で高さや一つ以上のパラメータを測定できる。
【００６４】
次の記述は、表面の特徴を探査する方法に関してであり、関連出願からきているもので、そのような記述は図１４〜２５を参照している。
【００６５】
図１４は、関連出願の発明を説明するもので、試料表面の対象となる特徴を位置付け、測定するための装置を記述している。図１４に示されているように、装置１０２０はスキャナヘッド１０２２，センサ１０２４，針の先端もしくはプローブの先端１０２６を含んでおり、試料１０３４の表面１０３２上の関心の特徴１０３０を検知するためのものである。プローブ１０２６の位置合わせは、システム制御装置１０３８により制御されている正確な制御ブロック１０３６により制御されている。システム１０２０は、ウィーラーの米国特許第５，３０９，７５５号に記述されているタイプのプロフィロメータである。そのような場合、プローブ１０２６は表面１０３２に接触した状態を維持し、先端が表面を横切るときに表面の形態が変化する際、前記プローブは上下に移動する。そして、センサ１０２４は、表面１０３２の形態を測定するために、プローブ１０２６の先端の位置変化を検知する。
【００６６】
システム１０２０はまた、走査探針顕微鏡でもあり、その場合、プローブ１０２６は表面１０３２に接触状態か非接触状態である。むしろ、プローブ１０２６は、フィードバック信号によりスキャナ，センサ，プローブを上下に移動することで、表面１０３２から予め定められた離れた位置か、前記表面に接触した状態の位置に維持される。そして、前記フィードバック信号での変化は表面１０３２の形態を表示する。走査探針顕微鏡の１つのタイプは、米国特許第４，７２４，３１８号において説明されている。センサ１０２４はまた、静電容量，磁力，ファンデルワールス，電気抵抗，もしくは電流センサであり、表面の形態もしくは地形に加え、パラメータを検知する。そのような方法において、関心の特徴が光学的に検知されなくとも、特徴が磁力，電気容量か電気抵抗，もしくはファンデルワールス力のような他の検知可能な特性を示す限り、前記特徴はそれでもなお、位置付けされ測定される。
【００６７】
図１５は、関連出願の発明を説明するためのものであり、関心の特徴１０３０をもつ表面の対象域の断面図である。初めに、表面上の対象域１０４０が特定される。位置付けされた特徴の寸法が明らかになると、実質的に平行である線に沿ってプローブ１０２６を走査することが望ましく、近接した線の間の間隔ｄは、図１５に図示されているように検知される特徴の予想寸法よりも狭いものである。図１５に示されているように、プローブ１０２６は７本の走査線にそって走査されており、近接した走査線、例えば１０４２と１０４４間の間隔ｄは、特徴の予想寸法よりも狭いものである。図１５において、間隔ｄは特徴の予想寸法の約７５％である。前記間隔は情報量を最大限に引き出すが、走査が特徴を失わないような間隔にされる。好ましくは、そのような間隔は、特徴の予想寸法の５０〜８５％の範囲である。
【００６８】
多くの関心の特徴に関して、前記特徴の位置合わせをするだけでなく、前記特徴の中心も位置合わせすることが重要である。このように、タングステンプラグ，導電性部材のブァイアかクラスタ，加工ハードディスクの表面上にある隆起かくぼみ，もしくは読み書きヘッドのプルチップ（ｐｕｌｌｔｉｐ）くぼみに関して、そのような特徴の中心を検知し、特徴の中心でプローブで測定を実施することは、有用でしばしば重要なものとなる。図１６は、特徴の中心を位置付ける探査方法を図示したもので、試料上か試料中に特徴１０３０をもつ表面のウィンドもしくは対象域１０４０の略図である。図１６に示されているように、初めにプローブの先端が走査線区分１０５２（１）に沿って走査され、走査線区分１０５２（２）、走査線区分１０５２（３）、そして必要であれば、追加の走査線区分が続く。区分１０５２（２），１０５２（３），そして追加の線区分は、実質的に区分１０５２（１）に対して平行である。プローブがそのような線区分に沿って走査するとき、センサ１０２４は特徴１０３０、形態的には、電気抵抗か静電容量，磁力，ファンデルワールス力，もしくは検知可能な特性を有する他の特徴を検知するために使用される。このように、プローブ１０２６の先端が走査線区分１０５２（３）に沿って走査されるとき、センサ１０２４は特徴１０３０を検知する。センサ１０２４は、走査線区分１０５２（３）に沿って、特徴１０３０の存在だけでなく特徴１０３０の境界点Ａ，Ｂをも検知し、それを表示するシステム制御装置１０３８に出力する。
【００６９】
センサ１０２４が特徴１０３０の存在を検知するとすぐに、範囲１０４０のいくつかの部分が検知されないまま残っていたとしても、システム制御装置１０３８は位置決め制御回路１０３６に走査線区分１０５２（３）に沿った走査動作を終了するように指示を出す。境界点Ａ，Ｂが明らかになると、点Ａ，Ｂ間の中点Ｃが決定され、そして、システム制御装置１０３８と位置決め制御装置１０３６により、スキャナ１０２２は走査線区分１０５２（４）に沿って走査し、走査線区分１０５２（４）は点Ｃを通過し、走査線区分１０５２（１）〜１０５２（３）を横切る。センサ１０２４は、走査線区分１０５２（４）に沿って特徴１０３０の境界Ｄ，Ｅを検知する。そして、点Ｄ，Ｅ間の走査線区分１０５２（４）の中点Ｏが、特徴１０３０の中心と決定され、特徴を測定するために特徴１０３０の中心Ｏを通って、制御装置１０３６，１０３８により走査線区分１０５２（５）に沿ってスキャナ１０２２がプローブを動かす。システム制御装置１０３８はセンサ１０２４の出力を記憶し、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｏの位置を決定する。境界点Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅは、表面にある特徴の変化を検知することで見い出される。
【００７０】
特徴の中心を決定してその中心で特徴を測定することは重要なことではない場合、上記の探査過程は、特徴１０３０が走査線区分１０５２（３）に沿って検知される際に明らかになれば、終了する。特徴は、例えば点Ｃ等で単純に測定される。
【００７１】
上記の処理から、関連出願の発明の探査方法は従来の探査技術よりも優れていることは明白である。システム１０２０から分離され離されている光学システムが、特徴１０３０の適切な位置を決めるために全く使用されていないので、関連出願の発明の探査方法は、１つ以上のレンズを用いた光学システムの分解力や収束力により制限されないものである。特徴を測定するための装置がまた、特徴を位置決めするためにも使用されるので、関連出願の発明の方法は、特徴が位置決めされた後に、特徴に対して測定プローブやセンサを設ける必要がない。さらに、特徴の位置が正確に決定される前に、全対象域１０４０のデータを取得する必要がない。かわりに、特徴が見つけられれば、対象域を走査していない残りの部分を走査する必要がなくなり、使用者は特徴の測定を直ちに進めることが可能となる。これは情報量の獲得を効果的にし、使用者の資源の無駄をなくす。
【００７２】
関連出願の発明の利点は、具体的な例を参照することでさらに明らかになる。関心の特徴は、１ミクロンの直径をもつ対象物である。±２ミクロンの正確さで初めに特徴を確認することが可能であると仮定する。つまり、前記対象物は最善の状態で４ミクロン×４ミクロンの対象域内に最初に位置が特定される。そしてｘ方向に沿って４ミクロンの長さの走査線区分に沿って対象域を検知し、毎回差し引き０．７５ミクロンまでｙ方向にプローブ１０２６を動かし、走査線の１つが対象物を横切るまで続ける。つまり、最大５本の走査線が図１７の対象を横切るために必要とされる。走査線が関心の対象を横切ると、図１６において上述されたような同様な手段により、特徴の適切な中心が決定される。つまり、最大６本の走査が終了した後、対象の中心が位置決めされ、特徴の測定が始まる。４ミクロンの走査線区分のそれぞれの走査時間が１秒かかろうとも、全部で６本の走査線から必要とされる最大時間が１０秒である。反対に、４ミクロン×４ミクロンの範囲を毎秒１ラインの速さで２５６本の走査線のそれぞれにある２５６のデータ点を取得するためには、処理をするのに４分３０秒の時間が必要となり、走査線２５６の１本以外の全ての走査線にあるデータ点が無駄なものとなる。
図１８は、関連出願の発明を説明するものであり、表面の特徴の典型的な断面図である。
【００７３】
図１９Ａ〜１９Ｉは、関連出願の発明の実施例を説明するためのもので、特徴や探査走査区分を含む表面の対象域の略図である。上述したように、表面の対象域１０４０' は、位置決めされ測定される対象１０３０' の特徴を含むものとして定義される。２つの走査方向は、第１の方向に沿った走査線区分１０６２と第２方向に沿った走査線区分１０７２で定義される。第１および第２の方向は互いに交差するものである。図１９Ａ〜１９Ｉに示されているように、対象域１０４０' は平面でない表面上にあり、走査線区分１０６２と１０７２は、直線区分というよりも曲線区分である。それにもかかわらず、同様な探査方法が、表面の特徴１０３０' を位置決めするために用いられる。このように、図１９Ｄに示されているように、先端１０２６が走査線区分１０６２ａに沿って走査されるときに、特徴１０３０' は見い出される。再び、センサ１０２４により検知された境界点Ａ' ，Ｂ' がシステム制御装置１０３８により記憶され、区分１０６２ａに沿った点Ａ' ，Ｂ' 間の中点Ｃ' 点が決定され、そしてプローブは第２の方向の走査線区分１０７２ａに沿って走査される。そして、システム制御装置１０３８は、センサ１０２４により検知された境界点Ｄ' ，Ｅ' を記憶し、区分１０７２ａに沿った点Ｄ' ，Ｅ' 間の中点Ｏ' は特徴１０３０' の適切な中心と決定される。そして、プローブは走査線区分１０６２ｂに沿って走査され、特徴１０３２' はセンサ１０２４により測定される。
【００７４】
図１９Ｇは走査方法を図示しており、特徴の中心を必ずしも見つけずに、特徴の位置決めができるものである。そのような場合、探査は特徴が見い出されたあと終了する。そして、特徴は、表面をさらに走査せずに探査を終了して測定される。替わりに、特徴は図１９Ｇにある走査線区分１０７２ａに沿って測定される。図１９Ｈに示されているように、特徴が対象的である場合、特徴の中心はいくつかの応用においてさらに意味のあるものとなり、そのような中心で特徴を測定することが重要となる。図１９Ｉは平らな表面の実質的に長方形のウィンド用の探査方法を図示している。
【００７５】
図２０Ａ〜２０Ｃは関心の特徴をもつ表面の対象域と異なるモードで動作された走査通路の略図であり、非接触モード，断続的接触モード，そして接触モードを含む、関連出願の発明を図示したものである。図２０Ａは、断続的接触モードを図示した対象域と走査通路の略図である。図２０Ａに示されているように、プローブ１０２６の先端は、走査線区分１１６２ａ，１１６２ｂ，１１６２ｃ，および１１６２ｄに沿って走査され、これらの走査線区分は実質的には互いに平行なものである。図２０Ａに示されているように、断続的接触モードでそれぞれの走査線区分に沿って、プローブ１０２６の先端は表面１０４０' を横切っている。走査線区分１１６２ａの場合、プローブは最初表面に接触せずに、例えば区分１１６２ａの部分１１６２ａ' に沿って進む。そして、先端は、部分１１６２ａ''に沿って表面に接触するまで、表面１０４０' の方へ下がり、それから先端は、部分１１６２ａ''' に沿って表面１０４０' に実質的に持続して接触した状態のまま引っぱられる。そして先端は再度、部分１１６２ａ''''に沿って表面から持ち上げられ、それから、先端が走査線区分１１６２ａを引き、表面１０４０' を横切りながら移動するとき、上述したサイクルが繰り返される。他の３つの走査線区分１１６２ｂ，１１６２ｃ，１１６２ｄは、同様な方法で先端により検知される。上述された断続的接触走査の利点は、いくつかの応用において、プローブの先端が表面に持続的に接触する動作モードと比較すると、走査処理の時間を短縮できるという点にある。この動作モードはまた、プローブの先端と表面との間の摩擦力によるプローブの先端か表面、もしくはその両方に起きるかもしれないダメージを減らす。同じことが、断続的接触モードもしくは接触モードと比較すると非接触モードにも当てはまる。
【００７６】
上述したように、プローブの先端が走査線区分１１６２ｄに沿って検知され、境界点Ａ' ，Ｂ' が検出され、点Ａ' ，Ｂ' 間の走査線区分の中点が検出され、そして、プローブの先端が、境界点Ｄ' ，Ｅ' を位置決めし、上述したように特徴１０３０' の中心を位置決めするために、他の走査線区分を横切る走査線区分もしくは通路区分１１６２ｅに沿って検知されるとき、特徴１０３０' は検知される。
【００７７】
いくつかの応用において、特徴のおおよその位置が明らかになった後に動作モードを変えることは利点となる。このように、検知される特徴が、別々に検知される２つの異なる特徴をもつ場合、第１の特徴は、表面が、例えば走査通路１１６２ａ〜１１６２ｄの走査中に、特徴のおおよその位置を発見するように検知されるときに使用される。そして、特徴のおおよその位置が位置決めされた後、使用者は、特徴の中心を検知するために異なる動作モードに切り換えることができる。そして、特徴がもつ２つの特徴のうちの１つか、他の特徴のどちらかにより、特徴が測定される。しかしながら、多くの応用において、特徴の中心に加え、特徴のおおよその位置を見つけるために同様な動作モードをとり、そして特徴が実際に測定されるとき、異なる動作モードを使用することは適切である。これは、図２０Ｂと２０Ｃに図示されている。
図２０Ｂに示されているように、表面１０４０' が走査線区分１１６２ａ，１１６２ｂ，１１６２ｃ，および１１６２ｄに沿って，断続的接触モードでプローブの先端を使用して検知されるとき、特徴１０３０' のおおよその位置が検出される。境界点Ａ' ，Ｂ' が検出され、そして表面が、境界点Ｄ' ，Ｅ' を検出するために、走査線区分１１６２ｅに沿って走査され、そして中心Ｏ' が、図２０Ａを参照し上述された同様な方法で検出される。しかしながら、中心Ｏ' が位置決めされた後、システム１０２０は接触モードで動作し、プローブの先端１０２６は、特徴を測定するために中心Ｏ' を通過して走査線区分１１６２ｆ' に沿って走査されるとき、表面１０４０' に接触する。
【００７８】
図２０Ｃにおいて、境界点Ａ' ，Ｂ' ，Ｄ' ，Ｅ' と特徴１０３０' の中心Ｏ' は、図２０Ｂを参照し上述されたものと同じ方法で、走査線区分１１８２ａ，１１８２ｂ，１１８２ｃ，１１８２ｄ，１１８２ｅに沿って、プローブの先端１０２６により最初に位置決めされるが、それは、プローブの先端が区分１１８２ａ〜１１８２ｅに沿って走査されるときにプローブの先端が表面１０４０’に接触していない状態のとき以外である。特徴１０３０' の中心Ｏ' が位置決めされた後、システム１０２０は、特徴を測定するために、走査線区分１１８２ｆに沿って断続的接触モードで動作する。明らかに、図２０Ｃに示されているように、走査線区分１１８２ｆに沿って断続的接触モードで特徴を測定しないで、そのような走査線区分に沿って非接触もしくは接触動作モードを使用して、特徴を測定することも可能である。同様に、図２０Ｂにおいて、断続的接触モードもしくは非接触モードで特徴１０３０' を測定することも可能である。そのような他の変化は、関連出願の発明の範囲である。
【００７９】
異なるモードは異なる測定に適切である。例えば、磁気的もしくは電気的変化を見つけるために、断続的もしくは非接触モードを使用することは適切である。正確な幾何学的形状の測定を行うためには、接触もしくは断続的接触モードがより望ましい。特徴は粗い表面と同様に測定可能である磁気的特徴を有する。それは、非接触モードで位置決めされ、そして接触モードで測定される。しかし、そのような特徴が大変粗いものであれば、断続的接触モードでそれを測定することが望ましく、それは継続的な接触技術がもつ本来の摩擦的な影響を避けるためであり、先端もしくは表面にダメージを及ぼすことを防ぐためである。
【００８０】
断続的接触モード中の走査速度はまた、接触モードよりも速いものである。そして、特徴が位置決めされその中心が検知された後、その外形もしくは幾何学的形状等の特徴が、望ましくもしくは必要とされた場合、特徴と中心を位置決めするのに使用されたものとは異なる動作モードで測定される。このように、特徴の幾何学的形状もしくは外形の測定が望ましいとき、システム１０２０は接触モードか断続的接触モードのどちからで動作される。
【００８１】
いくつかの応用において、より正確に特徴の境界か中心またはその両方を位置決めすることが可能であることは望ましいことである。そのような応用において、上述した探査過程を、より高い分解力で繰り返すことは望ましいことである。これは図２０Ｄに図示されている。図２０Ｄに示されているように、表面の対象域４０は最初、走査線区分１１９２（１），１１９２（２），および１１９２（３）に沿ってプローブの先端により走査され、そこでは、特徴３０''の適切な位置決めが、走査線区分１１９２（３）に沿った走査中、検出される。そして、より小さな対象域１０４０''が特徴１０３０''を囲むものと限定され、走査過程が走査線区分１１９４（１），１１９４（２）．．．に沿って繰り返され、そこでは、近接した走査線間の間隔は、走査線１１９２（１），１１９２（２），および１１９２（３）間よりも小さいものである。望ましくは、全対象域４０''は、より正確に特徴の境界点を位置決めするように走査される。Ａ''，Ｂ''，Ａ''' ，Ｂ''' のような異なる境界点が、Ａ''，Ｂ''のような２つの境界点のみに対応する中点を決定するだけよりも、横切る走査１１９６の位置を決定するものとして考慮されるならば、特徴１０３０''の中心はより正確に位置決めされる。例えば、より正確な位置決めは、境界点Ａ''，Ｂ''に対応する中点とＡ''' ，Ｂ''' のような境界点に対応する中点との間に平均的な位置決めをすることでなされる。
【００８２】
表面の外形もしくは幾何学的形状を測定するために、図２１Ａに参照されるように、システム１０２０は、表面から予め定められた距離ｈまでプローブの先端を持ち上げており、先端が移動する横方向の距離δｘを記録し、その後、表面に接触するように再度下げられ、プローブの先端が表面に再度接触する前の下げられた位置までの距離を記録する。好ましくは、先端は再度距離ｈの位置まで前記接触点から持ち上げられ、横方向に距離δｘ移動し、表面に接触するように再度下げられ、そして再度下げられた先端の距離が記録される。そして、この過程は対象域を横切る走査が終了するまで繰り返される。前記のような距離δｘや、走査中に断続的接触モードで表面に接触する前に、先端が繰り返し下げられる距離を記録することで、表面の幾何学的形状もしくは外形の表示が可能となる。
【００８３】
図２１Ａの実施例において、プローブの先端は、表面１２００に沿ってプローブの先端を引きずらずに、表面に接触するように下げられた後持ち上げられる。言い換えれば、プローブの先端は、持ち上げられる前に表面１２００に軽く接触し、そしてプローブの先端は表面に接触している間、表面を横切る横方向には移動しないのである。いくつかの応用において、図２１Ｂに図示されている実施例において、プローブの先端が表面に接触するように下げられた後、表面に沿ってプローブの先端を引くことは望ましいことである。プローブの先端が予め定められた距離間を表面１２００に沿って引かれた後、プローブの先端は予め定められた距離、例えばｈまで再度持ち上げられ、予め定められた距離まで横方向に移動し、そして再度表面１２００に接触するように下げられる。先端が表面に接触した後、先端は再度予め定められた距離間を表面に沿って引かれ、上述された過程が、全対象域を横切る走査が上述されたように終了するまで、繰り返される。量ｈ，δｘ，そして先端が走査中断続的接触モードで表面に接触する前に、繰り返して下げられる距離を記録する他に、図２１Ｂの動作モードにおいては、システム１０２０は、先端が表面１２００に沿って引かれるとき、プローブの先端の高さ変化も記録する。ｈ，δｘ，そして先端が表面に接触するまで下げられる距離と共にそのような情報により、システム１０２０が図２１Ｂに図示されているモードで動作する際、表面の幾何学的形状もしくは特徴が表示される。
【００８４】
断続的接触モードでのシステム１０２０のさらなる別の動作モードが図２１Ｃに図示されている。そのようなモードは図２１Ａのものと同様なものであり、図２１Ａおよび図２１Ｃの両図の動作モードにおいて、プローブの先端が表面に接触するように下げられた後、表面を横切る際、先端を引きずるように横方向には移動しないものであり、その後予め定められた高さｈまで先端は上げられる。しかしながら、図２１Ａのようにプローブの先端を実質的に直線に沿って上下，横方向に移動させるのとは異なり、図２１Ｃにある先端は、対象域を横切り走査するまで、表面１２００上をおおよそ正弦曲線の通路に沿って移動する。前記のようなそして他の変化は、関連出願の発明の範囲内である。
【００８５】
多数の異なるタイプの特徴は、上述の方法で位置決めされ、測定される。半導体産業において、特別な幾何学的，磁気的もしくは電気的パラメータを測定するために、タングステンプラグ，金属クラスタ，もしくは金属で満たされたブァイアホールの位置決めをすることは、しばしば望ましいことである。このように、タングステンプラグ，金属クラスタか金属部材で満たされたブァイアホールは、その場所の静電容量，磁力，電気抵抗もしくは幾何学的特性の変化を検知することで、位置決めされる。このように、システム１０２０が非接触動作モードで動作しているとき、先端は表面よりも少し上の位置で保持され、探査パターンに沿って表面上を高速度で走査するので、センサ１０２８は、表面の静電容量，トンネル電流もしくは磁気的パラメータ（例えば、プローブの先端とセンサ１０２４により検知される磁力）にある変化を検知する。静電容量，トンネル電流もしくは磁力においての変化により、タングステンプラグ，金属クラスタ，もしくは金属で満たされたブァイアホールの位置が明らかになる。この位置が決定されると、針もしくはプローブは、その部分の電気的，磁気的，もしくは幾何学的特性を測定するために、表面に接触するか、近接する状態になる。替わりに、システム１０２０は断続的接触モードで動作し、表面の抵抗，静電容量，もしくは磁気的パラメータがセンサ１０２４により走査された位置で検知される。抵抗，静電容量，もしくは磁気的パラメータが変化すると、タングステンプラグか金属クラスタもしくはブァイアホールの位置が明らかになる。例えば、抵抗での変化は、針の先端と表面間の電流の流れの量の変化により明らかになる。電流の流れの量が増加するならば、それは、針がタングステンプラグ，金属クラスタもしくはブァイアホールに接触するか近接する状態を意味する。先端がプラグ，クラスタ，もしくはブァイアホールに接触するか近接するとき、最大電流が流れることになる。また、先端とプラグ，クラスタ，もしくは金属でみたされたブァイアホール間の間隔が狭まると、プローブの先端と表面間の静電容量も減少する、なぜなら、表面と先端間の間隔の絶縁効果がその間隔で減少するからである。先端が、磁気部材で作られたプラグかクラスタ，もしくはそのような部材で満たされたブァイアホールなどの特徴の方へ移動するとき、プローブの先端と特徴との間の磁力もまた、特徴と先端が接触するときの最大量になるまで増加する。これにより、使用者はプラグ，クラスタ，もしくはブァイアホールの位置合わせをすることが可能となる。プラグ，クラスタ，もしくはブァイアホールが位置決めされた後、特徴の電気的，光学的，磁気的，もしくは幾何学的特性が測定される。上述された効果は検出可能であり、そして特徴は、接触，断続的接触，もしくは非接触モードで検知される。
【００８６】
上述の記載は、磁力のような磁気的パラメータにより磁気的特徴を位置決めし測定する過程に適用される。これは、センサ１０２４と磁区のような表面の特徴との間に生じる磁力を測定する磁力顕微鏡により行われる。そのような磁区は、磁気的読み書きヘッド上の磁極端くぼみである。前記磁力顕微鏡は、既知の磁気的顕微鏡の応用で記述されているように、交流か直流増幅器において原子間引力顕微鏡もしくはプロフィロメータを用いる。磁力顕微鏡は、「走査型トンネル顕微鏡II」と題して、「表面科学のスプリンガーシリーズ」の第２８巻で、ピー．グルテール、エイチ．ジェイ．マミン、そしてディ．ルガールにより記述され、イーディエス．アール．ヴィゼンデンジェール、エイチ．ジェイ．ガンテロード、スプリンガー出版ベルリンハイデルブルク１９９２年の１５２〜２０７ページに出版されている。
【００８７】
特徴を位置付けるために使用されるパラメータの別の特徴は、特徴とプローブの先端との間のトンネル電流である。例えば、半導体表面上の金属クラスタは、半導体表面よりもプローブに対して、完全に異なる電流トンネル特性をもつ。
【００８８】
さらに、関連出願の発明により位置決めされ測定される他の可能性のある特徴は、満たされていないブァイアホールやレーザ加工を施されたハードディスク上の表面隆起もしくはくぼみである。これらの隆起やくぼみの大きさが一定であることは、ハードディスクの製造においての重要な要因である。ディスク上のこれらの隆起には、異なる大きさや形の変化もまた存在する。前記隆起は、ドーナツ形のものや、もしくはひとつ以上の軸の回りに非対象的なものである。そのような加工されたディスクのパターンは、一般的に知られており、そして使用者は通常、ディスクの回りにあるこれらいくつかの隆起の重要な特徴を測定することに関心がある。つまり、測定用のプローブの先端か針の下にある隆起もしくはくぼみを正確に位置決めすることが望ましい。隆起の大きさは、横方向の寸法で１から１０ミクロンで、高さでは１００から１０００オングストロームの範囲のものである。そのような隆起やくぼみの適切な位置そしてそのような隆起やくぼみの中心が、上述された方法で位置決めされ、特に、幾何学的特徴を位置合わせするために、断続的接触や接触モードの上述した方法が使用される。断続的接触モードが用いられた場合、図２１Ａ〜２１Ｃで用いられている量δｘと高さｈは、プローブの先端が隆起もしくはくぼみを「飛び越える」ことがないように選択される。ｈの適切な範囲は１０〜１０００オングストロームで、δｘの適切な距離は対象の特徴の予想サイズの内の僅かである。このように、隆起はドーナツ形の中心に隆起をもち、５ミクロンの直径をもつドーナツ形のものである。隆起の中心の周りの表面において、２つの直行する軸に沿った隆起の直径、隆起の縁（レーザ隆起の外周にある隆起）の高さ、および隆起に近接した非加工部分に対して隆起の中心に盛り上げられている隆起の高さは、重要なものである。
【００８９】
表面にある段の位置を確認することが望ましい場合、使用者は、断続的接触モードでプローブの先端を移動させることで、前記段の適切な位置を見い出すことを望むかもしれない。前記段のおおよその位置が見いだされた後、使用者は、接触モードで前記のおおよその位置を再走査することを望むかもしれない。前記段の位置が見いだされた後、使用者は、前記段を明確にし、段の上を横方向に移動させ、前記段の頂点に接触するまで表面を横切って先端を下げるまで、既知の距離に表面からプローブの先端か針を離すかもしれない。先端が持ち上げられる距離と先端が下げられる距離との間の違いが、前記段の高さを表している。替わりに、段の位置が見いだされた場合、横向きのセンサによりプローブの先端が前記段をよじ登ったりはい上がったりしながら、プローブの先端は接触モードで前記段の表面を横切って移動する。段が検知されると、センサは、米国特許第５，３４７，８５４号に記述されているような横方向の検知技術により、前記段か溝、もしくはタングステンプラグかブァイアホールの横方向の形態を測定するために使用される。
【００９０】
関連出願の発明により位置決めされ測定される表面の別の特徴は、滑らかな表面上の粗い部分か粗い表面上の滑らかな部分を含む。接触モードもしくは図２１Ｂに示されているような断続的接触モードの作動システム１０２０は、プローブの先端か針と表面との間の摩擦の変化を検知するための摩擦センサを用いて使用される。適切な摩擦センサは、エルセビエール科学出版の「超顕微鏡」，４２〜４４（１９９２年），１４９８〜１５０３ページに「独立形走査力と摩擦顕微鏡」と題して、エム．ヒップ、エイチ．ヴィエェフェルト、ジェイ．コルケロ、オー．マルチ、ジェイ．マリネックにより記述されている。
【００９１】
上述されたように、プローブの先端は、互いに実質的に平行な走査線区分に沿って走査される。しかしながら、これは必要とされる要因ではなく、図２２，２３，２４において図示されているように、他の走査通路が可能である。
【００９２】
実質的に平行な走査線に沿ってプローブの先端で走査するかわりに、表面のウィンド１０４０' にある特徴１０３０' は、図２２に図示されているように実質的にランダムな位置構成により位置合わせされる。最初に、格子網１１９８がウィンド１０４０' 上に重ねられる。編目の格子の大きさは、位置合わせされる関心の特徴もしくは物体の予想サイズよりも小さいものとなるように選択される。例えば、格子は関心の特徴もしくは対象の予想サイズの５０％から８５％以内の寸法をもつ。図２２に示されているように、実質的にランダムな場所もしくは位置ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，．．．の連続は、（下記に明らかな理由で、図２２にある位置ｆより先は連続して示されていない）格子状の交差点１１９９で表面のウィンド１０４０’で最初に生じており、そしてシステム１０２０によりプローブの先端が、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，．．．と連続して特定される位置のそれぞれに連続して位置合わせされる。図２２に図示されているように、プローブの先端は、位置ｆに置かれるか位置合わせされるとき、特徴１０３０’の存在を初めて検知する。この点での特徴の情報をさらに検知するためには、連続したランダムな点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，．．．ｆ以下も続く、を連続して続けるのではなく、異なる位置合わせの構造で続けることがより効果的である。そのかわり、連続して２つの交差方向に沿ってプローブの先端で走査することは、好ましいことである。例えば、プローブの先端は、図２２において２つの直行した方向Ｘ，Ｙに沿って走査し、図１９Ｄ〜１９Ｆに参照され上述された方法で、特徴の中心を位置合わせする。特徴の中心が位置合わせされると、プローブの先端は、特徴を測定するためにそのような中心の上を走査する。
【００９３】
別の実施例において、特徴が、特徴についての情報をさらに得るために、先端を連続したランダムな位置に置くことで、位置ｆで検出された後、プローブの先端は、新しい軸に沿って特徴１０３０’の領域をみつけるために、種々の順序で＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙ軸に沿って移動する。前記領域は、先端もしくはセンサにより検出されるパラメータで変化や変動を検知することで、見い出される。
【００９４】
このように、プローブの先端は、最初Ｙ軸の正の方向に沿って、領域を位置合わせするために、位置ｆから位置１にそして位置２に移動する。プローブの先端が位置１から位置２に移動するときに、前記方向の領域が検出された後、位置２が領域外であることが検出される。そして、プローブは、位置１からＸ軸の正の方向上にある位置３へと移動する。位置３が特徴内であることが検出され、そして先端が位置４，５と連続して移動しながら、双方の点が特徴外であることが検出されることで、位置３が特徴の領域にあることが明確になる。そして、先端は、位置３から特徴内にあることが検出される位置６の方へと−Ｙ軸方向に移動する。そして、プローブの先端は、Ｘ方向に沿って、特徴内であることが検出される位置７，８に移動し、Ｙ軸方向に沿って、特徴外であることが検出される位置９へと移動する。そして、特徴内であることが検出される位置１０へと移動する。それ故に、特徴の領域の近似は、位置１，３，６，７，８，１０を結んだ線を引くことで得られる。同様な方法で、領域の残りの部分が検出され、その領域の近似は、位置１０，１３，１６，１８，２０，２２，２４，２７，２９，そして位置１に戻る点を通る線を引くことで、表示される。上述した過程において、システム１０２０は、特徴の検知が実行されているとき、先端の位置を記録し、そのような検知結果を記録する。
【００９５】
表面の特徴１０３０’’を位置決めするために使用できる他の手段は、図２３に示されている方法のように、プローブの先端を螺旋通路に沿って走査させることである。図２３に示されているように、プローブの先端の１０２６は矢印１２０２で示される１２００からの点から始まる通路に沿って走査させられる。プローブの先端が初めの位置の１２００に戻るとそれは、通路１２０４に沿って螺旋の走査を始める。前記螺旋の走査は、走査の通路の隣接する部分が異なる曲線をもち、そのために異なる曲線の傾きをもつ、例えば、図２３に示されているように１２０６の位置での曲線の通路は曲線の傾きθをもっており、一方１２０８の部分はφの傾きをもっており、ここにおいて、φはθよりも大きい。換言すれば、曲線の傾きはプローブの先端が螺旋に沿って移動するにしたがって増加し、その結果プローブの先端は特徴の位置を出すためにどんどんと小さな対象域に近づいていく。螺旋通路の隣接する部分（例えば１２０６，１２０８の位置）の曲線の傾きの角度は前記特徴の予想される大きさより余り離れていない。図２３に示されているようにプローブの先端は特徴点の存在を１２０８またはその近辺で検知する。そのような位置で、螺旋通路の曲線の角度は増加し、前記螺旋通路がもし特徴の位置がみつけられていないときよりはより小さい領域をカバーする。これにより、特徴の境界の探査の過程が加速される。特徴の境界が見いだされた場所（例えば特徴の性質に変化が検出されたとき）の前記先端の位置は特徴の位置をより正確に定義できるように記録される。
【００９６】
このようして、概して、予め定められた走査の通路は当初前記特徴のおおよその位置を見出す。それがわかると、その通路に沿って走査するのを中止して、前記特徴についてより多くの情報が得られるように前記先端を異なる通路で走査することが望ましい。上述した予め定められた走査通路は、図１９Ｄから図１９Ｇに示されているように実質的に平行な走査線部分のセット、例えば１０６２ａとすることができる。または、それは図２２における実質的にランダムな配置の一連のものとするか、または図２３の点１２００から１２０８の螺旋通路とすることができる。前記特徴点が見出された後で、前記特徴についてのより多くの情報を見出すために異なる走査通路に切り換えることが望ましい。かくして図１９Ｅ−１９Ｉ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，に示されているように、前記先端は通路１０７２ａ，１１６２ｅ，１１８２ｅに沿って走査させられ、そこでは先の走査で得られている情報がそのような通路の決定に利用される。図２２においては、Ｘ，Ｙまたは位置１，２，３，４・・・による規定される通路に沿って走査が行われ、前記特徴点が検知されたという情報以外には先の走査通路の情報は利用されない。図２３においては、先の走査通路の曲線の角度についての情報（曲線の新しい角度を決定するための）と前記特徴の検出された位置の情報が同様に用いられ位置１２０８を越えて走査が行われる。
【００９７】
図２３に示す螺旋の通路に沿って前記先端を走査するかわりに、図２４に示すように螺旋の通路を略線分的にすることもできる。図２４に示されているように、プローブの先端はより小さい領域を旋回するように螺旋状に走査されるが、通路の隣接する部分が実施的に相互に平行になるように走査される。このようなまたはその他の螺旋通路の変形は本発明の範囲に含まれるものである。
いつも同一の端から出発する平行の通路に沿ってプローブの先端の走査のかわりに、図２５に示されているように葛折れの通路１２５０に沿って走査することもできる。葛折れの通路に沿って行われるプローブの先端の走査は、前記特徴の位置を乱すためにプローブが標的の領域の同一辺に戻らなければならない走査構造と比較すると、表面の同じ位置を走査するのに必要な時間を減少させることができる。
【００９８】
本発明の関連出願は前述した好ましい実施例に関連して説明された。
様々な変化および変更はこの関連出願の本発明の範囲からはずれることなく可能である。
このようにして、前記特徴は、熱の特性による手段、例えば伝導性を測定する温度センサによって検出できる。
本発明の関連出願は試料の表面の特徴を参照して説明されたが、他の例、電気的，磁気的，光学的，熱的，または他の手段によって、表面、機能の特性が検出または検知される特徴にも同様に適用可能である。
前述の章は、前記関連する出願から採択されたものである。
【００９９】
図２６は、本発明の説明に用いられる従来の走査探針顕微鏡の略図である。図２６に示されているように、走査探針顕微鏡（ＳＰＭ）は粗調整用Ｘ−Ｙステージ１５０２ａと粗調整用のＺステージ１５０２ｂを含んでいる。試料９０はステージ１５０２ａに載置される。前記ＳＰＭセンサ１５０４は微調整用のＸ−Ｙ−Ｚステージ（これはブロック１３４に設けられている）１５０６に設けられ、それはブロック１５０８によりステージ１５０２ｂに結合されている。
従来のＳＰＭ１５００は、図３０〜３４Ｅを参照して説明されるように、走査の動作をすることができる。
【０１００】
図２７は、ＳＰＭセンサ１５０４およびプロフィロメータセンサ組立６０を含む走査装置の略図である。両方のセンサまたはセンサ組立は微調整用のＸ−Ｙステージに設けられており、そのステージは前述した微調整用ステージ、例えば７０，７０',７０''および７０''' のような任意のステージで良い。前述した二重ステージ走査装置の実施例中に示されているように、微調整用ステージ７０−７０''' は、従来の針のプロフィロメータを用いたＸ−Ｙ位置決めステージよりはより細かい分解力をもつものであるから従来の針のプロフィロメータの利点を全部残して位置決め分解力が大幅に改良されることになる。システム１５５０は、前記プロフィロメータの多くの利点、例えばＺ方向の広い動作範囲と数百ｍｍ代の長い走査能力を保有している点で前記ＳＰＭより優れている。
【０１０１】
装置１５５０は、図２に示した流れに沿って制御されるものであり、そのような図面を参照して説明したところと異ならない。前記ＳＰＭセンサ１５０４または前記プロフィロメータセンサ６０のいずれかの使用が可能であり、両者は微調整用Ｘ−Ｙステージ７０−７０''' に載置されている。かくして、制御装置１１０は図２７に示されている微調整用のステージに使用される。
図２８は、ＳＰＭセンサとプロフィロメータセンサをもつ走査装置の略図であり、前記ＳＰＭセンサはＳＰＭ微調整用Ｘ−Ｙ−Ｚステージ（そのステージはブロック１３４に設けられている）に設けられているが、前記プロフィロメータは本発明の他の実施例を説明するものではない。システム１６００において、前記プロフィロメータは微調整用のステージに設けられていないから、前記ＳＰＭセンサのみが１ｎｍか１ｎｍ以下の検知に用いられる一方、前記プロフィロメータは以前として従来の針プロフィロメータのように長い距離の外形走査に用いられる。システム１５５０および１６００の両方は図３０−３４Ｅを参照して説明した走査動作に利用されるであろう。制御装置１１０は図２８の前記微調整用ステージ１５０６を制御するために用いられる。
【０１０２】
図２９Ａは表面の形状、例えば半導体ウェーハのそれを示す図である。図２９Ａに示されているように表面１６０２の表面は弓なりになっている。点ＡＡ，ＢＢに穴がある。前述したように従来の針式のプロフィロメータでは表面の弓なりの形状を検知できても、図２９Ｂ，２９Ｃに示されている穴ＡＡ，ＢＢの局所的な特徴を検出することができない。一方、ＳＰＭは、ブァイアホールＡＡ，ＢＢのような局所的な特徴を検知することができるが、外形１６０２または２つのブァイアホールＡＡ，ＢＢの相対的な高さを検出することができない。この出願に係る本発明は、前記表面１６０２の全体的な特徴の検知、局地的な点ＡＡ，ＢＢの外形、さらには２つのブァイアホールの相対的な高さを検出することができる。
【０１０３】
表面の全体の形状を得るために、図３０に示されているように第１の走査通路１６１２に沿って長い走査が行われる。そして走査通路１６１４に沿って多数の短い走査が、前記長い走査通路１６１２の位置またはその近傍で行われるが、それは長い走査に用いられるよりは高い分解力のものであり、図２９Ｂ，図２９Ｃに示されているように１ｎｍか１ｎｍ以下の形状が得られる。もし前記プロフィロメータまたは走査探針顕微鏡で同じプローブ先端が長い走査通路１６１２と短い走査通路１６１４に用いられ、そして検知されたデータが前記先端のＸ−Ｙ−Ｚの位置で相関をとることにより、相対高さと局部的な形状、例えば図２９Ａに示されているようにブァイアホールＡＡ，ＢＢの形状が決定できる。走査通路１６１４に沿う短い走査通路に使用されるものとは異なるプローブの先端で通路１６１２に沿った長い走査が行われたとしても、前記２つのプローブ先端の相対位置が知られている限り、相対的な高さと局所的な特徴、例えばウェーハの表面で遠く離れて一定の距離を保たれるブァイアホールを相関させることができる。図３０で分かったように、短い走査は互いにまたは長い走査通路１６１２に対して、平行でない方向に沿って行われる。長い走査通路１６１２は５００ｍｍまでの範囲にある。プローブの先端が長い走査通路か短い走査通路のどちらかに沿って走査しているので、表面の内部のまたは表面の頂上の特徴は前述したいずれかの方法で検知できる。そのような特徴は短い走査では０．１から５ｎｍの分解力で、表面に平行な方向（つまりＸ−Ｙ平面）では１から５ｎｍで、試料の表面に垂直な方向（すなわちＺ方向）では５から１０ｎｍの分解力で検知される。
【０１０４】
このようにして、図３０に関連して検知される特徴は外形または他の幾何学パラメータであるか、電気的，磁気的，光学的，熱的，摩擦的またはファンデルワールス力であろう。望まれたら、走査のシステムは長い走査通路１６１２で検出されるよりは、前記短い走査通路１６１２’での種々の走査パラメータの検出に利用される。事実、異なったパラメータが異なる短い走査１６１４で検知される。
【０１０５】
図３０に示されている走査動作は、前述した任意の二重走査装置により実行されるであろう。粗調整用Ｚステージ８０ａと前記粗調整用Ｘ−Ｙステージ８０ｂは長い走査の通路１６１２に沿ってセンサの組立およびプローブの先端を動かすことのために使われ、微調整用Ｘ−Ｙステージは前記センサ組立およびプローブの先端を短い走査の方向に移動させるために用いられる。システム１５００において、例えば、粗調整用ステージ１５０２ａ、１５０２ｂはセンサ１５０４および試料９０間の長い走査通路１６１２に沿った相対運動を惹起するために使われ、微調整用ステージ１５０６は短い走査通路１６１４に沿った運動を惹起するために使用される。システム１５５０において、粗調整用ステージ８０ａ，８０ｂは長い走査のために使われ、そして微調整用ステージ７０−７０'''は短い走査に使用される。２個のセンサ６０，１５０４のどちらかは、長い走査は短い走査で使われ、種々のセンサが図３０に示されるの８通りの走査に使用される。２個のセンサの相対的位置が既知である限り、例えば相互に２つのセンサを固定してそれらが固定的な相対位置関係を保たせるなどし、図３０に示されている全ての走査、長いものでも短いものでも、からのデータは相関させることができる。長い走査通路１６１２または短い走査通路１６１４に沿った走査は、前述した接触、非接触または断続的接触の任意のモードで行われる。短い走査通路は長さ１００ミクロンより少なく、一方長い走査通路の１６１２は１００ミクロンよりも長くすることができる。
【０１０６】
図３０に示されているように、短い走査通路１６１４ａは長い走査通路１６１２を横切らない。もし、走査通路１６１４と走査通路１６１２間の距離で、前記表面の等高線が激変しないものと仮定することができると、走査通路１６１４ａで得られたデータは、通路１６１４ａの近くの走査通路１６１２の部分に沿って得られるものと相関性がある。短い走査通路と長い走査通路が交差する場合、使用者はより一層正確なデータの相関を得ることができるであろう。
【０１０７】
それぞれの長い走査通路１６１２、さらに短い走査通路の１６１４は、図３１に示されているように１６２０のような多数の走査線区分から現実に構成される。ここにおいて走査通路区分１６２０はウェーハ表面のほとんどの部分をカバーし、そのような走査通路は使用者をして、ウェーハ表面のほとんどの部分の等高線図の測定を可能にし、走査線区分１６２０は短く、そのような区分から得られるデータは局所的な特徴例えば、ブァイアホールが期待される等の等高線形状の観察を可能にする。一実施例において前記区分１６２０は実質に互いに平行である。図３２に示されているように、開始点１６３０から終了点１６３２までの長い走査をし、そのその長い走査線に沿って点１６３０と１６３２を通る短い走査が可能である。好ましくは、短い走査、点１６３０を通る短い走査は前記長い走査に先立ち、点１６３２を通る短い走査は長い走査の後で行われることが好ましい。
【０１０８】
図３０において、長い走査が最初に行われ、続いて短い走査が行われる。局所的な関心の特徴の位置が既知であるときには、最初に対応する関心の特徴に関連して、いくつかの短い走査を行うことが好ましく、引き続き前記表面の関心の特徴点ではないある領域の長い走査が行われるが、図３３に示されているように、各々の関心の特徴点について短い走査で得られたデータとの相関をとるために最適化された位置で行われる。このようにして、最初に短い走査は、点１６４０の各々を通って実行される。その後、最適化された通路１６４２は、点１６４０を通る短い走査の間に得られたデータと最高の相関が得られるように選ばれる。好ましい実施形態では、点１６４０の位置に基づいて最適化された通路１６４２を選ぶために、少なくとも最小自乗法の計算がなされる。
【０１０９】
走査の過程のいつでも、前記走査で得られるデータは実時間で分析され、使用者は前記表面の特定の特徴を表面でまたは近傍で探したほうが良いか気づくことができるであろう。そのような場合に、前述した表面の特徴の探査過程は、標的領域を決定することにより利用され、前記標的領域内でプローブ先端手段により探査がなされ、表面を検出することにより関心の特徴点を提供する。そのような探査の動作の結果として、一つの走査の通路は前記表示の関数として選ばれる。例えば、もし前記探査の動作でくぼみが発見されると、そのようなくぼみを通過するであろう走査通路が選ばれる。前述したように、前記探査の過程は、探査中の特徴の予想される大きさを越えないだけずらされた幅をもって、プローブの先端を実質的に平行な探査線区分に沿って走査する。前述したように、前記特徴の大まかな位置が見出された後、前記先端を、関心の特徴の中心を出すために先の走査線区分を横切る他の探査区分に沿って走査することが好ましい。
【０１１０】
走査通路、例えば１６１２，１６１４，１６２０は、図２３と２５に示される螺旋区分とか葛折れ走査線区分のように、お互いに平行な走査線区分を含む。
【０１１１】
図３４Ａから３４Ｅは、異なった走査から得られたデータがどのようにして相関されるかが図示されている。図の３４Ａは表面の３つの局所的な特徴ＣＣ，ＤＤ，ＥＥの特徴を示す。前記３つの特徴は図３４Ｂ−３４Ｄにそれぞれ示されている。図３４に示されているように、前記表面はくぼみの両側に特徴ＣＣ，ＥＥをもち、そしてくぼみの底に特徴ＤＤをもつ大きな領域のくぼみをもつ。上に記述された方法によって、くぼみの全体の特徴は、局所的な特徴ＣＣ，ＤＤ，ＥＥとともに、高分解力で測定される。局所的な特徴ＣＣ，ＤＤ，ＥＥの相関性が図３４Ｅに示されており、ブァイアホールの深さと３つの相対高さが示されている。
記載を簡潔にするために、本出願の異なる図における同一の構成要素は、同じ数字で表記されている。
【０１１２】
本発明は様々な実施例を参照して説明されたが、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形と変更が可能であり、本発明の範囲は添付の請求の範囲とその均等物によってのみ制限されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例を説明するための、二重ステージ走査装置の略図である。
【図２】本発明の好適な実施例を説明するための、二重ステージ走査装置とその制御およびディスプレイ装置のブロック図である。
【図３Ａ】微調整用ステージとセンサ組立の第１の実施例を説明するためのものであり、二重ステージ走査装置の微調整用ステージとして作用する圧電管に接続された高さセンサの略図である。
【図３Ｂ】微調整用ステージとセンサ組立の第２の実施例を説明するためのものであり、微調整用ステージとして作用する２つの圧電管と高さセンサの斜視図である。
【図４Ａ】本発明の好適な実施例を説明するものであり、針の先端が望ましい力を試料に加える磁気手段を用いたセンサ組立の横斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａのセンサ組立の断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａのセンサ組立の磁気針力バイアス手段の詳細を示した端部の斜視図である。
【図４Ｄ】本発明による針に加える力を調整するための電子装置のブロック図である。
【図４Ｅ】本発明の別の実施例を説明するもので、針の先端が望ましい力を試料に加える容量手段を用いたセンサ組立の断面図である。
【図５】本発明の別の実施例を説明するもので、試料が微調整用ステージにより支持され、センサが粗調整用ステージのＺ部分により支持されている二重ステージ走査装置の略図である。
【図６】センサの１つの実施例を説明する本出願の二重ステージ走査装置で使用されるセンサの略図である。
【図７Ａ】偏向センサ部の異なる実施例を示すことによる、図６に示されているタイプのセンサの略図である。
【図７Ｂ】偏向センサ部の異なる実施例を示すことによる、図６に示されているタイプのセンサの略図である。
【図７Ｃ】偏向センサ部の異なる実施例を示すことによる、図６に示されているタイプのセンサの略図である。
【図７Ｄ】図７Ｃの近接センサの別の実施例を説明するプローブ部分の略図である。
【図８Ａ】より詳細に第２センサの異なる実施例を示すことによる、図６に示したタイプのセンサの略図である。
【図８Ｂ】より詳細に第２センサの異なる実施例を示すことによる、図６に示したタイプのセンサの略図である。
【図８Ｃ】より詳細に第２センサの異なる実施例を示すことによる、図６に示したタイプのセンサの略図である。
【図９】図８Ａのセンサを実行するのに使用される針の先端の略図である。
【図１０】図８Ｂのセンサを実行するのに使用される針の先端の断面図である。
【図１１】本発明の好適な実施例を説明するための、平らな部材で作られた偏向センサの平面図である。
【図１２】本発明を説明するための、圧電スタックを用いた微調整用ステージ部分の平面図である。
【図１３】本発明の好適な実施例を説明するための、二重ステージ走査装置のセンサによる試料表面の走査通路の略図である。
【図１４】関連出願の発明を説明するのに有用な表面測定装置のブロック図である。
【図１５】関連出願の発明の特徴である位置合わせ方法を説明するための、特徴と探査通路をもつ表面の対象域の略図である。
【図１６】関連出願の発明を説明するための、図１５の特徴の探査手段を説明する際の表面と探査通路の対象域の略図である。
【図１７】関連出願の発明での方法を説明する、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１８】関連出願の発明を説明するための、表面の特徴を表した断面図である。
【図１９Ａ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｂ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｃ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｄ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｅ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｆ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｇ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｈ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図１９Ｉ】関連出願の発明の好適な実施例として、特徴を探査する方法を説明するために、特徴および探査通路を有する表面の対象域の略図である。
【図２０Ａ】関連出願の発明の別の実施例を説明するためのもので、接触もしくは非接触モードとの組合せで断続的に接触した方法を用いた探査方法を説明する、特徴および探査通路を用いた表面の対象域の略図である。
【図２０Ｂ】関連出願の発明の別の実施例を説明するためのもので、接触もしくは非接触モードとの組合せで断続的に接触した方法を用いた探査方法を説明する、特徴および探査通路を用いた表面の対象域の略図である。
【図２０Ｃ】関連出願の発明の別の実施例を説明するためのもので、接触もしくは非接触モードとの組合せで断続的に接触した方法を用いた探査方法を説明する、特徴および探査通路を用いた表面の対象域の略図である。
【図２０Ｄ】関連出願のさらなる別の実施例の探査方法を説明するためのもので、両方の対象域に特徴および探査通路をもつ表面のより大きな対象域とより小さな対象域の略図であり、前記方法は、接触モード，非接触モード，もしくは断続的接触モードにて使用される。
【図２１Ａ】関連出願の発明の別の実施例を説明するための、表面および断続的探査通路の断面図である。
【図２１Ｂ】関連出願の発明の別の実施例を説明するための、表面および断続的探査通路の断面図である。
【図２１Ｃ】関連出願の発明の別の実施例を説明するための、表面および断続的探査通路の断面図である。
【図２２】関連出願の発明のさらなる別の代替実施例を説明するためのもので、特徴の適切な位置合わせを見つける連続したランダムな位置決め方法や、適切な特徴の位置が位置づけられた後の特徴の範囲を位置付けるための非ランダムなアルゴリズムを用いた、探査方法を説明する際の表面や探査通路の対象域の略図である。
【図２３】関連出願の発明のさらなる別の代替実施例を説明するためのもので、表面上か、表面にある特徴を探査するための表面にある渦巻き状の探査通路の略図である。
【図２４】関連出願の発明のさらなる代替実施例を説明するためのもので、表面の特徴を位置合わせのための実質的に折れ線の渦巻き状探査通路の略図である。
【図２５】関連出願の発明のさらなる代替実施例を説明するためのもので、表面の特徴を位置付ける葛折れ状の探査通路の略図である。
【図２６】本発明を説明するために有用な従来の走査探針顕微鏡の略図である。
【図２７】本発明のさらなる別の実施例を説明するもので、プロフィロメータセンサと同様な走査探針顕微鏡センサを含む二重ステージ走査装置の略図であり、前記の両センサは、同じ微調整用Ｘ−Ｙステージ上に装着されている。
【図２８】本発明のさらなる実施例を説明するもので、図２７の２つのセンサを含む二重ステージ走査装置の略図である、走査探針顕微鏡センサのみが微調整用ステージに装着されているものである。
【図２９】本発明を説明するために、２点ＡＡとＢＢ上を走査した表面の特徴の略図である。
【図３０】本発明を説明する走査作動の略図であり、多数の短い走査と同様に長い走査が表面で行われ、いくつかの短い走査は、長い走査を横切り、そして少なくとも１本の短い走査は、長い走査に近接しているが横切ってはいない。
【図３１】本発明を説明するために、長い走査もしくは短い走査のどちらかで走査するパターンを説明したものであり、多数の実質的に平行な走査線部分を含む走査通路の略図である。
【図３２】本発明の好適な実施例を説明するためのものであり、同様の走査装置が、始点と終点間の長い走査を実行するのと同様に、始点と終点での短い局地走査を実行するために使用される走査通路の略図である。
【図３３】本発明の別の実施例を説明するもので、表面に多数の点が近接して示されており、そのような点に局地走査も同様に示されている走査通路の略図である。
【図３４】本発明を説明するためのものであり、特徴および３つの局地特徴、そしてそれらの相対的な高さを示す略図である。
【符号の説明】
６０センサ組立
７０微調整用ステージ
８０粗調整用ステージ
８０ａ粗調整用ステージのＺ部分
８０ｂ粗調整用ステージのＸＹ部分
９０試料
１００二重ステージ走査装置
１０２台[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
[Cross-reference of related applications]
This application is a continuation-in-part of US application Ser. No. 08 / 598,848, filed Feb. 9, 1996, which is a continuation-in-part of “Dual Stage Apparatus for Sample Scanning”, which was filed on December 22, 1994 Partial continuation of "constant force profilometer, bitourism system and temperature drift correction with probe stable sensor device" which is US application Ser. No. 08 / 362,818 of application and is referred to hereinafter as “parent application” It is an application. This application is filed on the same day as the application entitled “Surface Shape Positioning Device” and will be referred to as “Related Application” hereinafter.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to an instrument for scanning a sample or specimen, and more particularly to an apparatus for scanning a sample or specimen having improved features.
[0003]
[Prior art]
The profiler was originally developed to characterize the surface in terms of roughness, corrugation, and form. Recently, such instruments have been refined to obtain accurate metrology in semiconductor device measurement and production control. Profilers are also used outside the semiconductor industry, for example for the purpose of scanning and detecting optical discs, flat panel displays and other devices.
[0004]
The needle profilometer used in the aforementioned application is available from Tencor Instruments and other manufacturers in Mountain View, California. In conventional needle profilometers, the sample is placed on an XY positioning stage, where the surface of the sample being measured or detected is limited to the XY plane. The needle profilometer includes a needle tip that is positioned relative to the sample to detect an interaction between the needle tip and the sample surface. The needle and the tip of the needle are attached to an elevator, and the elevator moves in the Z direction perpendicular to the XY plane. The sensor does not move in the X or Y direction. (For example, the direction of a plane parallel to the surface of the sample, etc.) The interaction between the tip of the needle and the sample is measured by a sensor. When continuously acquiring data, the XY stage moves the sample under the tip of the needle in a controlled manner, while the sensor scans the surface of the sample, the sensor Through various surfaces, the interaction of various samples and the tip of the needle is detected. Thus, while acquiring data using the sensor, the XY stage moves the sample in some controlled manner.
[0005]
“Alphastep” is another type of needle profilometer available from Tencor Instruments, Mountain View, California. “Alpha step” scans the sample by moving the arm of the needle across the sample.
[0006]
Thus, the needle profilometer allows scanning distances from a few microns to a few hundred mm in the XY plane. Sensors used for profilometers usually have a wide operating range as well. For example, in a profilometer of a needle for measuring the height of a sample, a vertical change in the Z direction is detected from as small as several angstroms to as large as several hundreds of micrometers. Importantly, the height measurement profilometer measures height directly.
[0007]
As the semiconductor industry develops into smaller dimensions as new products come out, there is a growing demand for scanning devices that can analyze samples very finely and scan them repeatedly. The large size of the XY stage in the needle profilometer limits the lateral positioning resolution of a conventional needle profilometer. Thus, repeated repositioning in the XY direction by the profilometer of the needle is limited to about 1 μm, and such an apparatus cannot repeatedly position in the XY direction smaller than 1 nm or 1 nm. .
[0008]
Therefore, it provides an improved scanning device that can provide repeatable positioning resolution in the XY direction more accurately than conventional needle profilometers, and also provides a wide range and hundreds in the Z direction. It is desirable to maintain the advantages of many profilometers, such as being able to scan up to lengths of mm.
[0009]
The semiconductor wafer surface is preferably a flat plane. To achieve such overall planarization, chemical mechanical polishing (CMP) is used. The CMP process is usually applied after tungsten plugs and via holes are manufactured on the surface of the semiconductor wafer. If the CMP process does not function properly, it creates gaps in the tungsten plugs or via holes, thus affecting the size and depth of the tungsten plugs and via holes. This causes various capacitances and electrical resistances on the surface of the semiconductor wafer, which in turn affects the operation of electronic circuits assembled on the wafer. This problem is particularly acute in large scale integrated circuits where transistors and other electronic devices are becoming increasingly smaller in size. This is also true for laser processed hard disks.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In order to inspect the function of the CMP process, a scanning probe microscope or a profilometer is used. Whereas a profilometer can measure the overall characteristics of the surface of a wafer, a conventional profilometer cannot analyze to find, for example, the shape or depth of a tungsten plug or via hole. Thus, if the profilometer scan does not pass through the tongue plug or via hole, the information from the scan will not display such information. Conventional profilometers have problems in position and positioning capability, and cannot accurately align less than 1 micron with scanning. Thus, if a profilometer is used to inspect the CMP process, the overall planarization of the sample and the relative height of the points separated at regular intervals on the wafer were inspected. However, the exact local form of the surface cannot be measured.
[0011]
Scanning needle microscopes (SPMs) have an accurate positioning capability that can provide accurate sub-micron features in the scanning path, while SPM devices have an accurate length range and repeatable movement. As a result, find the relative position of two points far apart on the wafer surface, or the height relationship between two tongue plugs or two via holes that are regularly spaced on the wafer. Therefore, it is difficult to use an SPM device. In fact, in many SPM devices, any runout that passes through the device is considered background and is eliminated. Even if a large number of local images acquired by SPM are obtained, the overall surface features cannot be grasped, and the difference in height between two points that are more than the range of the SPM device is accurate. It cannot be measured. Furthermore, the data correlation between many local images of the SPM is cumbersome and time consuming, resulting in wasted resources due to significant duplication of resources.
Therefore, it would be desirable to provide an improved apparatus that overcomes the above disadvantages.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
[Summary of the Invention]
The present invention provides the advantages of a conventional needle profilometer by providing a fine adjustment stage that has a resolving power that is considerably more precise than a conventional XY positioning stage used for a needle profilometer. It is based on the result that the positioning analysis is considerably improved while keeping all of it intact. A positioning stage having characteristics similar to a conventional XY positioning stage used in a needle profilometer is referred to below as a coarse adjustment stage relative to a fine adjustment stage. The fine adjustment stage is defined as a positioning stage having a higher resolution than the coarse adjustment stage.
[0013]
In the preferred embodiment, and at the time of this application, the coarse adjustment stage means the most accurate and capable of positioning the sensor at about 100 angstroms, and the fine adjustment stage is more accurate than 100 angstroms. This means that the sensor can be positioned in As is known to those skilled in the art, as technology advances, the boundary between the coarse and fine adjustment stages, i.e., 100 angstroms, is gradually lowered. Such coarse and fine adjustment stages having improved resolution using the methods described herein are also within the scope of the present invention.
[0014]
A first feature of the present invention is that a sensor for detecting a parameter of a sample, a coarse adjustment stage for inducing relative motion between the sensor and the sample, a fine adjustment stage for inducing relative motion between the sensor and the sample, and a sensor Detecting a sample, including a controller that controls at least two stages such that one or both of the two stages cause a relative motion between the sensor and the sample when sensing the parameters of the sample Relates to a device for
[0015]
Another feature of the present invention is that means for causing relative movement between the sensor and the sample by the coarse adjustment stage, means for causing relative movement between the sensor and the sample by the fine adjustment stage, and relative movement between the sensor and the sample are provided. The invention relates to a method for detecting a sample, comprising means for detecting a parameter of the sample when caused by either of the two stages.
[0016]
However, another feature of the present invention relates to a device that has a higher lateral resolution than conventional profilometers, while at the same time maintaining a wide range of conventional profilometers in the vertical direction. Such an apparatus includes a sensor for sensing a parameter of the sample, said sensor having a needle arm having a needle tip for sensing a surface parameter of the sample, the needle arm being able to rotate around a hinge. A hinge for supporting the needle, and means for applying a force to the arm of the needle. Furthermore, the apparatus includes a fine adjustment stage that causes relative motion between the sensor and the sample, and the fine adjustment stage has a resolution that is more accurate than 1 nm.
[0017]
Yet another aspect of the invention relates to a method for measuring one or more characteristics of a sample surface, (a) along a first scanning path on the surface, a first of a profilometer or scanning probe microscope. Sensing at the first feature to scan at the tip of the probe and providing first data at the first feature, and (b) at least along the second scanning path on the surface, the second feature Scanning at the profilometer at the tip of the probe or the tip of the second probe of the scanning probe microscope, detecting at least a second feature to supply at least a second data at the second feature; The second path is shorter than the first scanning path. The resolution of scanning during the second scanning step is higher than during the first scanning step.
[0018]
Another feature of the present invention relates to an apparatus for measuring a sample, including two sensors, one suitable for use with a profilometer and the other suitable for a scanning probe microscope. is there. That is, it is suitable for a coarse adjustment stage that causes relative motion between two sensors and a sample, and for a fine adjustment stage that causes relative motion between two sensors and a sample.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Detailed Description of Preferred Embodiments
FIG. 1 is a schematic diagram of a dual stage scanning apparatus 100 for illustrating a preferred embodiment of the present invention. Since the sensor assembly 60 is considerably lighter than the sample or specimen 90, the sensor is supported by the fine adjustment stage 70, and the XY portion 80b of the coarse adjustment stage 80 for supporting the specimen or sample is used. It is desirable. The fine adjustment stage is similarly connected to and supported by the Z portion 80a of the coarse adjustment stage. Thus, as shown in FIG. 1, the scanning device 100 includes a sensor assembly 60 connected to and supported by a fine adjustment stage 70. Similarly, the fine adjustment stage 70 is a coarse adjustment stage. 80 is connected to and supported by the Z portion 80a. The sample 90 is supported by the XY portion 80 b of the coarse adjustment stage 80. The Z portion 80a and the XY portion 80b of the coarse adjustment stage 80 are connected to and supported by the table 102 as shown in FIG.
[0020]
The fine tuning stage 70 has a surface resolution of about 1 to 50 angstroms (0.1 to 5 nm), but a surface resolution of 100 or 1000 angstroms (10 or 100 nm) is suitable for some applications. . The surface resolution of the coarse adjustment stage 80 is preferably about 50 to 100 angstroms (5 to 10 nm) and the vertical resolution is about 10 to 50 angstroms (1 to 5 nm), but with a 1 μm surface and normal The resolving power is suitable for several applications.
[0021]
The coarse adjustment stage has a scanning range of about 1 μm to several hundred mm, for example, 500 mm. While the fine adjustment stage has a scanning range of about 0.01 to 500 μm, by adding the scanning range of the coarse adjustment stage described above, the double stage apparatus 100 has a range of about 0.01 μm to several hundred mm, for example, It will have a scanning range of 500 mm. This is explained in more detail below. The sensor 60 is of a type having an operating range in which the vertical operating range of the coarse adjustment stage can be adjusted by at least about 500 μm.
[0022]
The apparatus 100 is used in a number of ways to detect a sample. Thus, the device 100 is used in the same way as a conventional profilometer. Since the fine adjustment stage 70 becomes inoperable, the coarse adjustment stage 80 is used in the same manner as a conventional profilometer for scanning the sample 90 by the sensor assembly 60. This is possible because the sensor assembly 60 has a suitable operating range sufficient to accommodate large changes in the surface height of the specimen 90, such as exceeding a long scan that is as long as several hundred mm. .
[0023]
Another possible method of operation is to use the coarse adjustment stage to move the sensor assembly 60 while the fine adjustment stage is not operating, while positioning the target area of the specimen or sample 90 for decomposition. The sample is detected in the same way as a conventional profilometer. After such a target area is positioned, the coarse adjustment stage stops operating and the fine adjustment stage operates and is used to scan the target area with high resolution. In other words, the two stages are used in succession to move the sensor while the sample parameters are sensed.
[0024]
Yet another possible method of operation is to operate both the fine adjustment stage 70 and the coarse adjustment stage 80 almost simultaneously, while both stages move relatively simultaneously between the sensor assembly and the sample 90. The sensor assembly 60 is used to sense the parameters of the sample 90. Thus, the XY portion 80b of the coarse adjustment stage is used to move the sample along the X axis, while the fine adjustment stage 70 moves the sensor assembly 60 along the Y axis. Used for. While both stages move relatively between the sensor assembly and the sample, the sensor assembly 60 is used to sense one or more sample parameters. In this way, since the XY portion of the coarse adjustment stage 80 does not move in the Y direction, the resolving force of the fine adjustment stage 70 is determined when the sensor assembly 60 detects the parameter of the sample along the Y direction. It is controlled. Then, to obtain the same resolving power along the X direction, the XY portion 80b of the coarse adjustment stage is used to move the sample along the Y direction, but does not move in the X direction, The fine adjustment stage is used to move the sensor assembly 60 along the X direction but does not move in the Y direction. In this way, a high resolving power is achieved along the X and Y directions. Further operating methods are described in detail below.
[0025]
FIG. 2 is a block diagram of a dual stage scanning device and its control and display device for illustrating the present invention. FIG. 2 needs to be modified slightly to control an embodiment of the device, such as that shown in FIG.
[0026]
As shown in FIG. 2, the fine adjustment stage 70 is controlled by a fine adjustment stage controller 110. The coarse adjustment stage Z portion 80 a is controlled by the coarse adjustment Z controller 112, and the coarse adjustment stage XY portion 80 b is controlled by the coarse adjustment XY controller 114. Sensor assembly 60 and sample 90 are controlled by sensor and sample controller 116. Thus, the controller 116 applies a voltage to the sample at a controlled frequency and an amplitude or electrical signal is detected from the sample. Storage device 118 is used to store data from sensor assembly 60. The storage device 118 also receives XYZ positioning information from the controllers 110, 112, 114, 116 so that the detected sample parameters are correlated to the XYZ position of the sensor assembly 60, and therefore It correlates with the position of the sample 90. The system controller 120 is used to control the entire system and supply information to the monitor 122 for display. Thus, the parameters sent by the assembly 60 along with positioning information from the controllers 110-116 are processed and displayed by the fly-by system controller 120, or such data is stored in the storage device 118. Will be processed and displayed later. System controller 120 and controllers 110-116 are used to allow assembly 60 to perform various operations, as will now be described. Implementing the controllers 110-120 based on the functions described herein is conventional and known to those skilled in the art.
[0027]
3A, 3B, 4A-4D and 5 show different embodiments of fine and coarse adjustment stages and sensor assembly 60. FIG. FIG. 3A is a perspective view of one embodiment of a fine adjustment stage and sensor assembly. In FIG. 3A, the fine adjustment stage 70 ′ includes a piezoelectric tube 132. The embodiment of FIG. 3B differs from FIG. 3A in that the fine tuning stage 70 ″ includes two piezoelectric tubes 132 instead of one. A similar embodiment 60 ′ of sensor assembly is shown in FIGS. 3A, 3B, 4A-4D and 5. The structure of one embodiment 60 ′ of sensor assembly 60 and the operations described below with reference to FIGS. 4A-4D are essentially from the parent application.
[0028]
Referring to FIG. 4A, the tip 11 of the diamond needle has a radius of 0.01 mm or less and is attached to the end of a thin stainless steel wire 13 bent at a right angle. The wire has a radius of about 0.25 mm. The tip of the diamond is glued to the end of the wire 13 that is bent at a right angle, while the other end of the wire 13 is inserted into an extended hollow aluminum arm 15 that is approximately 2 cm. The radius of the inner wall is about 0.018 cm. Since the aluminum arm is substantially stiff and does not bend, it is not bent in the step of detecting the height, but since the arm has a substantially low mass, the moment of inertia is kept low. The total mass of the arms, wires and diamond tips should not exceed approximately 0.05 grams. The arm 15 is fitted into the support block 19 and is operably connected to a flexible pivot 21 fitted into the support block 19. In this way, the aluminum arm 15 has a center of rotation about the flexure pivot 21. The flexure pivot 21 has sufficient torsional force to lightly support the tip 11 of the needle downwardly toward the surface to be measured, such as the specimen or sample 10. The total mass on the needle side of the pivot, including the lever 59 described below, preferably does not exceed 0.50 g.
[0029]
The electric solenoid coil 51 includes a wire coil 53 around a plastic bobbin 50. The wire used is preferably a thin copper wire that can be wound several thousand times. As shown in FIG. 4B, the coil 51 is magnetized by applying a current through the wire 55. The magnetized coil 51 attracts the ferromagnetic tip of the aluminum lever 59. The lever 59 has an end opposite to the ferromagnetic tip attached to the support block 19. The ferromagnetic tip is preferably a magnet and is made of a material such as a neodymium iron boron magnet that has a very strong magnetism and a very strong magnetic field for its size. The magnet 57 is shown in a holder 52 attached to the end of a lever 59 opposite to the support block 19 as shown in FIGS. The lever 59 is preferably bent so that the magnet 57 is positioned on the flexure pivot 21. When an electrode is applied to the wire 55, the coil 51 is magnetized, so that a magnetic force acts on the lever 59, and a force bias is applied to the lever toward or away from the center of the coil 51. The lever 59 is lightweight but hard, so that the lever cannot be bent even when a magnetic force is applied. The magnet 57 and the magnetic coil 51 are part of the needle force biasing means of the present invention.
[0030]
The various forces that occur as the magnet 57 moves are minimized, and the magnitude of the force is near the apex field gradient, for example, on the axis of the coil 51 or close to the coil winding end plane. In addition, it is maximized by placing the magnet 57. In the preferred embodiment of the present invention, the magnet 57 is placed away from the coil turns 51 to prevent the magnet from traveling into the central hole of the coil. At the closest position, the magnet 57 is almost in contact with the coil 51. With the magnet arrangement, the position of the magnet can be easily adjusted. Alternatively, the magnet 57 can be placed so as to enter the central hole of the coil 51. As a result, the moving range of the magnet is arranged at the center with the highest magnetic field gradient, but the coil 51 and the magnet 57 need to be accurately aligned.
[0031]
By using a very strong material for the magnet 57, such as a neodymium iron boron material, the magnet can be very small and lightweight, but can still generate sufficient force. In the preferred embodiment, the magnet is 3 mm in diameter and 1.5 mm thick. The low current here can minimize coil power loss and minimize the heat generated. This likewise minimizes thermally induced expansion and contraction of the member containing the sensor assembly. These thermally induced size changes cause undesirable drift in the measured profile of the sample or specimen.
[0032]
In the preferred embodiment, a transducer support 72 is provided below the support 71 that serves to adjust the height of the parallel capacitor plates 35 and 37 separated by a set of intervals. The distance between the plates is approximately 0.7 mm including the air gap between the plates. Although not shown, a small spacer pulls the plates 35 and 37 apart and the two plates are screwed firmly to the transducer support 72. The spread of the plate is large enough to shield the vane 41 from the external space, so that the vane is trapped and compressed because air is momentarily trapped and compressed between the closely spaced plates. You will be restricted. Each set of electric wires 39 in FIG. 4B is connected to a parallel plate. Between the parallel plates, low-mass conductive blades 41 are held at intervals, and a capacitor is formed on each of the parallel plates 35 and 37. The operating range of the blade indicated by arrow A in FIG. 4B is ± 0.16 mm. Further, the blade 41 is connected to the support block 19 and the flexure pivot 21, and the air between the parallel plates is compressed by the braking pivot operation by the blade. Due to the braking operation of the blades, vibrations and impacts on the arm 15 are reduced. The vane 41 extends rearward of the support block 19 and is connected to a paddle 43 that is opposite to the needle arm 15 and balances the arm. It is not preferred that the total mass of the vanes, paddles and pivot members on the vane side of the pivot exceed about 0.6 g. Due to the movement of the blade between the plates 35 and 37, the capacitance that instructs the movement of the probe tip changes. Such a motion transducer is shown in Wheeler US Pat. No. 5,309,755.
[0033]
The illustrated structure of the support 71, L-shaped bracket 73, and transducer support 72 is an example of a structure for supporting the sensor needle assembly of the present invention. Furthermore, the needle displacement measuring means or the above-mentioned motion transducer installed with respect to the needle tip is preferred, but it can be replaced by an equivalent means for supporting the movement of the needle tip.
In operation, the needle tip 11 scans the surface to be measured, such as a patterned semiconductor wafer. Scanning moves the arm frame of the needle relative to the fixed wafer position, or alternatively an XY positioning wafer such as a fine adjustment and / or coarse adjustment stage relative to the fixed needle position The wafer is moved on the stage, or the two operations are combined. In the last example, the needle arm is moved linearly in the X direction, while the wafer scans long in the X direction and then proceeds in the Y direction. The tip 11 of the needle is maintained in contact with the surface of the wafer with a stable force by an appropriate bias applied from the coil 51 to the lever 59. The bias is preferably large enough to maintain contact, but should not be large enough to damage the measurement surface. The distortion of the tip 11 is caused by a difference in the shape of the measurement surface, which is transmitted rearward from the deflection pivot 21 to the blade 41. The blade 41 resists a large amount of undesirable movement due to vibration caused by air displacement between the parallel plates 35 and 37. However, as the air is compressed and moved, the vanes 41 produce a signal on the wires 39 and move faintly, changing the electrical bridge circuit connected to these wires. At the end of the scan, the tip 11 is raised to protect against damage that occurs when the wafer morphology changes.
[0034]
When assembling the arm 15, the wire 13, and the tip 11, it is desirable to keep the moment of inertia as small as possible. The product of the square of the mass and the radius is about 0.5 g-cm ² Is preferably not exceeded. The current design is a mass-radius-square product of 0.42 g-cm ² It is. The radius is measured at the most distant radial position of the iron wire 13 with respect to the center of the flexible pivot 21. Similar moments of inertia are calculated for vanes 41 and lever 59. The sum of the moments is referred to as the moment of inertia of the entire needle arm. By maintaining a low moment of inertia, the needle arm is less sensitive to vibration. Therefore, a high resolving power in measuring the profile of something like a thin film is achieved with this preferred embodiment.
[0035]
The present invention is an improvement over the prior art because it allows the operating range of the drive coil current to vary as the needle moves in the vertical direction, thereby allowing the needle in conventional devices to vary. This is because the variation in force is eliminated. The device of the present invention is calibrated by creating a table of position versus drive current sets by moving a needle that is not using drive current to a normal distance. The table can provide data for polynomial curve fitting approximations. The digital signal processor 84 of FIG. 4D uses the curve fitting to change the force setting in a certain range when the position measurement is being performed on the specimen there. A positive constant force is created by applying a constant current shift to the matched polynomial, so that a direct match makes the force zero.
[0036]
FIG. 4D is a block diagram of an electronic device that adjusts the force of the needle. The electrical signal is generated by a motion transducer 81, for example, a special vertical that causes the vane 41 connected to the parallel plates 35 and 37 to create a data point while the needle tip 11 is not associated with the specimen 10. It is selected and stored in the signal conditioning circuit 82 for position. Since the tip 11 of the needle is supported by a deflection, for example a twisted spring, the data point is directly proportional to the force according to the spring law F = kx. The signal is then converted to digital by the converter 83 and the digital signal processor 84 generates a polynomial curve of data points. The curve is adjusted by the processor 84 to represent the desired force on the needle tip 11 while measuring the profile. The adjustment curve provides modulation support, for example, a feedback signal, which is converted to analog by a converter 85 to convert the signal from the circuit 86 driving the coil 51 to a modulation current 87 to maintain a constant needle force. This is transmitted to the drive coil 51.
[0037]
One embodiment 60 ′ of the sensor assembly 60 described above is that of the parent application. 1, 3A, 3B and 5, when the assembly 60 'is used, the fine adjustment stages 70, 70', 70 '' and the Z portion 134 of the coarse adjustment stage are connected to the support 71 of the sensor assembly 60 '. Has been provided. Another feature of the present invention is the combination of the fine adjustment positioning stage of FIGS. 4A-4D and the sensor assembly 60 '. Such a combination has the advantage of fine tuning XY or lateral, resolving power of 1 nm or higher, and maintains the wide Z or vertical operating range of conventional profilometers.
[0038]
Instead of the magnetic bias device shown in FIGS. 4A to 4D, an electrostatic force bias device 91 including two electrostatic plates 93 is used. As shown in FIG. 4E, the arm 162 is attached to the deflection plate 95 placed between the two plates 93 supported by the support portion 150 through the connector 166a. A voltage supply (not shown) is used to apply an appropriate voltage to the two plates 93, allowing the needle tip 164 to have the desired change to the sample or specimen, or to apply a constant force. Become. The desired force is controlled in the same manner as described above for the magnetic bias referenced in FIG. 4D.
[0039]
3A and 3B, each piezoelectric tube 132 has an axis 132 '. One end of the tube is attached to a support plate 134. When an appropriate voltage is applied to each tube 132, the tube is bent in a direction parallel to the axis 132 'with respect to the substrate 134, so that the sensor assembly 60 moves in the direction of the XY plane. An appropriate voltage is also applied to each tube 132 so that the tube expands or contracts in a direction parallel to axis 132 '. In this manner, each of the tubes 132 is controlled to move the sensor assembly 60 along the Z axis. This method is described in “Single Tube Three-Dimensional Scanning for Scanning Tunneling Microscope” by Binning and Smith, 57 (8), Rev. Sci. In detail. Therefore, a detailed description of how the tube 132 is controlled to move the assembly 60 in all directions in three-dimensional space will be omitted here.
[0040]
The arcuate movement of the tube is non-linear and causes an error in the Z direction. This is eliminated by using an electrostatic device 136 for measuring the position of the sensor assembly 60 in the Z direction and by feeding back any movement in the Z direction to the fine adjustment stage controller 110. Devices other than electrostatic device 136 are also used as known to those skilled in the art.
[0041]
As shown in FIGS. 1, 3A, and 3B, fine adjustment stages 70, 70 ′, 70 ″ are connected to a substrate 134, which is used for the coarse adjustment shown in FIG. It is attached in the Z direction of the stage 80a. In one particular embodiment, the inner and outer surfaces of the tube 132 are divided into quadrants. Unlike binning and Smith, an appropriate voltage is applied to the inner surface of the quadrant without applying pressure only to the outer surface of the quadrant. This has the effect of doubling the operating range of the tube. Instead, shorter tubes are used to obtain the same operating range. The shorter tube also increases the mechanical resonant frequency of the sensor assembly, thereby making the fine tuning stage move faster.
[0042]
The embodiment of FIG. 3B is that sensor assembly 60 is attached to two tubes 132, allowing for faster scanning and more effective control of the position of the sensor assembly relative to the specimen or sample surface. There are advantages over FIG. 3A. In the embodiment of FIG. 3B, the sensor assembly 60 is connected to the two tubes 132 by a flexible hinge 138 that includes stainless steel vanes.
[0043]
In some applications, it is desirable to use a fine tuning stage that moves the sample or specimen. This is illustrated in FIG. As shown in FIG. 5, the sample 90 is supported by three piezoelectric tubes 132 connected and supported by the XY position 80b of the coarse adjustment stage. The sensor assembly 60 is directly attached to the substrate 134, and the substrate 134 is attached to the Z portion 80a of the coarse adjustment stage. Both parts of the coarse adjustment stage are attached to and supported by a table 102 which is a fixed reference. In this embodiment, the sensor assembly is moved only in the Z direction of the coarse adjustment stage, while the sample 90 is moved by both the fine adjustment stage and the XY portion of the coarse adjustment stage.
[0044]
FIG. 6 is a schematic diagram of a sensor 60 ″, which is another embodiment of the sensor 60 of FIGS. 1, 2, 3A, 3B and 5. The sensor 60 ″ not only includes a tip that senses the height of the sample surface, but also includes one or more additional parameters such as thermal variation, electrostatics, magnetism, light reflectance, or sample or specimen light transmission parameters. It differs from the sensor 60 ′ of FIGS. 3A and 3B in that it includes a second sensor for sensing parameters. As shown in FIG. 6, the sensor assembly 60 ″ includes a support part 150 that supports the height sensor 160 and the second sensor 170. The height sensor 160 includes a needle arm 162 having terminal ends 162a, 162b, the needle tip 164 being connected to the arm terminal 162a. The height sensor 160 also includes a force controller 166 and a deflection sensor 168 for detecting the amount of needle arm deflection caused by various heights of the sample surface. The deflection sensor is magnetic or capacitive as described in FIGS. Other deflection sensor configurations are also used and are within the scope of the present invention.
[0045]
With respect to FIG. 6, the needle arm 162 is rotated and supported by the support 150 at the hinge 182 so that when the arm rotates, the arm end 162a has an operating range of at least about 500 μm. The force control device 166 preferably includes a magnetic or capacitive bias device 166b and a connector 166a that attaches the device 166b to the arm 162, as described above.
[0046]
The interaction between the needle tip 164 and the sample surface causes the arm 162 to rotate about the hinge 182. As the arm 162 rotates, the rear surface of the terminal end 162b moves away from or approaches the deflection sensor 168. Such movement of end 162b is detected by sensor 168 as described above to directly measure the height of the sample surface.
[0047]
As one particular embodiment of sensor assembly 60 '', a deflection sensor 168 is shown in FIG. 7A as a capacitive sensor. In other words, the capacitive sensor 168a functions in substantially the same manner as the sensor 60 ′ of FIGS. 4A-4D described above. As the end 162b of the arm approaches the electrostatic plate 202 and moves away from the electrostatic plate 204, the end or vane 162b changes the capacitance between the plates 202 and 204, which causes the sample to interact with the tip 164. Detected when showing a depression on the surface. When the end 162b moves in the opposite direction, a change in capacitance occurs, indicating a rising or upward slope of the sample surface interacting with the chip 164. As described above with respect to FIGS. 4A-4D, 11 and described below, force controller 170 is used to control the force between needle tip 164 and the sample surface.
[0048]
FIG. 7B shows another embodiment of sensor 60 ″, where the deflection sensor is a linear voltage differential transformer (LVDT) sensor. As shown in FIG. 7B, when the arm end 162b moves, the arm rotates about the hinge 182 and the core 212 attached to the arm end 162b is surrounded by the coil 214 of the LVDT sensor. Move in or out of the space you are in. This changes the current through the coil 214 as a direct indication of the height of the surface that interacts with the needle tip 164.
[0049]
FIG. 7C is another example of a sensor assembly 60 ″, where the deflection sensor 168c includes a light source 222 and an input optical fiber 224 for irradiating light from the light source to the mirror 226 on the top surface of the end 162b of the arm 162. . Such light is reflected by the mirror toward the detection optical fiber 228, and the optical fiber 228 irradiates the photodetector 230 with the reflected light. As the end 162b moves, the light reflected by the mirror 226 and taken by the detection fiber 228 and detector 230 changes, thereby directly displaying the change in surface height that interacts with the needle 164 again. Fibers 224 and 228 are consolidated together for ease of handling in support probe body 229, as shown in FIG. 7D. Suitable devices used for sensor 168c include von All Company fiber optic proximity sensors in Ashkelon, Israel, and Filettech Company Series 88 fiber optic displacement sensors in Arnold, Maryland.
[0050]
As shown in FIG. 6, one or more second sensors 170 are attached to the support 150, and the second sensor detects the height of the sample by the tip 164 of the needle or the deflection sensor 168. At a position where parameters other than the height of the sample are detected.
[0051]
FIG. 8A is a schematic diagram of a sensor assembly 60 ″ where the second sensor traverses the sample and detects thermal changes. The second sensor includes a set of thermocouple wires 252 and 254 embedded in the needle tip 164. A set of wires 252 and 254 are connected to a thermocouple sensor 256. The portion of the second sensor in FIG. 8A is described in more detail in FIG.
[0052]
FIG. 8B is a schematic diagram of a sensor 60 ″, which is a special embodiment of the second sensor. As shown in FIG. 8B, the second sensor is an electrostatic sensor and includes a conductive core 262, the core and the shield being separated by an insulating layer 266 (not shown), the core, the shield and All insulating layers are embedded in the needle tip 164, as shown in FIG. The core is connected to the sensor 276 through the wire 272 and the shield through the wire 274. Therefore, the change in electrostatic charge of the sample at the location detected by the tip 164 of the needle is detected by the sensor 276. FIG. 10 illustrates in detail the structure of the needle tip 164 including the embedded conductive core 262, conductive shield 264 and insulating layer 266. The pointed end 268 of the needle is formed by an insulating layer or shield 264.
[0053]
FIG. 8C is another example of a sensor assembly 60 ″, where the second sensor includes a light intensity reflective sensor with a light source 302, which passes through a silver half mirror 304 and interacts with the needle tip 164. Supply to the sample at the working position. The light reflected and diffused by the sample at such a position is detected by the photodetector 306 in order to detect the light reflectivity or diffusion characteristics of the sample at a location where a change in height is detected. If the photodetector 306 is placed on the opposite side of the sample relative to the light source 302, the sensor arrangement of FIG. 8D is used to detect the photoconductive properties instead. The tip 164 of the needle used in this case is preferably transparent.
[0054]
FIG. 11 is a plan view of a sensor assembly 400 illustrating a preferred embodiment of assembly. The entire sensor assembly is made of silicon or silicon oxide flat pieces. By conventional techniques used in the semiconductor industry, a silicon or silicon oxide plate is etched to form an arm 362 having a wider portion 362 'and a narrower portion 362''. A tip, preferably made of diamond, is attached to the end of the narrower portion 362 ''. The arm 362 includes a support portion 370 for supporting the drive coil 372. Support 370 along with arm 362 is connected to the rest of the plate by two hinges 374. The drive coil includes a layer of conductive member that is installed and inserted into the surface of the support 370. Preferably, the layer of members has a spiral shape. The magnet 382 is attached to the support portion 384 in the vicinity of the drive coil. In this manner, when current passes through the drive coil, force is applied to the support 370 by electromagnetic interaction between the drive coil and the magnet. Since the support 370 is provided integrally with the arm 362 and both are attached to the support 384 through a hinge, the force applied to the support 370 is also applied to the arm. That is, the magnet and the drive coil have the same functions as the ferromagnetic tip 57 and the solenoid coil 51 of US Pat. No. 5,309,755.
[0055]
The sensor 400 has a thickness of about 0.1 to 0.2 mm, excluding the hinge. The arm 362 is approximately 15-16 mm long. Hinge 374 is approximately 0.02 mm thick. The arm support butterfly program has a resonant frequency of about 1-50 kHz.
[0056]
FIG. 12 is a plan view of a fine adjustment stage portion for illustrating one embodiment of a fine adjustment stage using a piezoelectric stack. As shown in FIG. 12, this fine tuning stage embodiment 400 includes a moving frame 404 that is connected to or attached to a support frame 402 and sensor assembly 60. The moving frame 404 is connected to the support frame by four piezoelectric stacks 406a, 406b, 406c, and 406d as well as the eight flexible hinges 408. The piezoelectric stacks 406a, 406c are used to move the moving frame 404 along the positive or negative direction of the X axis relative to the support frame, and the piezoelectric stacks 406b, 406d are positive of the Y axis relative to the support frame. Used to move the moving frame along the negative or negative direction. Using a piezoelectric stack in this structure has advantages in using a piezoelectric tube, because the piezoelectric stack allows relative movement between the moving frame and the support frame in the XY plane with minimal error in the Z direction. This is because the action is triggered. Thus, by using a piezoelectric stack, the movement from the XY plane may be smaller than 5 arcs. A capacitive sensor (not shown) is used to detect any crosstalk or non-linearity of the stage and is fed back to the fine adjustment stage controller 110 of FIG. 2 to correct the crosstalk or non-linearity. By reducing the error in the Z direction, the complexity caused by a separate sensor to detect movement in the Z direction as well as a feedback control of the movement in the Z direction is reduced. A suitable device using a piezoelectric stack for XY positioning is the P-730 or P-731 of the Physical Institute (PI) Limited Company in Waldbron, Germany.
[0057]
〔action mode〕
Several modes of operation have already been described above. Thus, the dual stage scanning device is used like a conventional needle profilometer by completely eliminating the effectiveness of the fine tuning stage. Instead, the dual stage scanner is initially used as a needle profilometer to find a region of interest. Both the coarse adjustment stage and the fine adjustment stage operate so as to cause relative movement between the sensor assembly and the sample. As described above, in order to maintain a high resolution in the fine adjustment stage for XY positioning, a relative motion is caused between the sensor assembly and the sample in a direction perpendicular to the direction of the coarse adjustment stage. It is desirable to use a fine adjustment stage.
[0058]
It is desirable to obtain a height profile of the sample surface, and the above-described method in which the fine adjustment stage causes relative movement in a direction perpendicular to the direction of the coarse adjustment stage is intended to cover the target portion of the sample surface. Be controlled. This is illustrated in FIG. As shown in FIG. 13, the fine adjustment stage is controlled to cause relative movement between the sensor assembly and the sample along the Y axis, and the coarse adjustment stage is controlled along the X axis. The relative movement is
[0059]
While the control devices 110-120 of FIG. 2 are implemented with analog circuits, in the preferred embodiment, these control devices are implemented with digital circuits. In such cases, motors or positioning actuators are used in the fine and coarse adjustment stages to cause relative motion between the sensor assembly and the sample in different ways. As shown in FIG. 13, the motor for achieving the operation of the fine adjustment stage is controlled at a considerably higher frequency than that for controlling the operation of the coarse adjustment stage. On the other hand, the result of the relative movement of the sensor assembly is a zigzag path as shown in FIG. Also, as shown in FIG. 13, the two stages are controlled so that the relative motion between the sensor assembly and the sample is a zig-zag path 450, which has a line 452 with a substantially constant amplitude. , The zigzag passage 450 substantially covers the rectangular portion. Instead, the two stages are controlled so that the zigzag path covers a non-rectangular part. Two-stage control methods in which the zigzag path covers other shaped parts are known to those skilled in the art and will not be described in detail here.
[0060]
As described above, one or more sample features are detected while relative motion is being induced between the sensor and the sample on both the fine adjustment and coarse adjustment stages. The sensor operates at a sensing speed that is independent of the speed of the sensor assembly by the two stages and the relative motion between the samples. More specifically, the two stages cause relative motion at one or more frequencies, and the sensor's detection speed is independent of such frequencies and is asynchronous with respect to such frequencies. is there. The sensor is used to detect one or more features when the coarse adjustment stage causes relative motion in one direction and the fine adjustment stage does not cause relative motion in that direction. Instead, the sensor is used to detect one or more features when the fine adjustment stage causes relative motion in another direction and the coarse adjustment stage does not cause relative motion in that direction. .
[0061]
In one special mode of operation, one or two stages cause relative movement between the sensor assembly and the sample until the sensor assembly is in a predetermined position relative to the sample surface and the initial image position is determined. Used to provoke. Then, when relative motion between the sensor assembly and the sample occurs, the sensor assembly moves in an initial direction parallel to the sample surface to be scanned. In contact mode, for example, if it is desired to detect a change in the height of the sample surface, the predetermined position of the sensor assembly relative to the sample is the sample from which the tip of the sensor assembly needle is measured or detected. Located in contact with the surface. In the non-contact mode, for example, when detecting the characteristics of the sample other than the height change, the predetermined position is a state where the sensor assembly is not in contact with the sample. In either the contact or non-contact mode, the fine adjustment and coarse adjustment stage control devices are operated with a constant force, and the output of the deflection sensor 168 is fed back to the force control device 166 of FIG. Applied between the needle tip 164 and the sample surface. Instead, in both contact and non-contact modes, the feedback is turned off or the constant height mode is very small.
[0062]
In yet another useful mode of operation, one or both of the fine adjustment and coarse adjustment stages are used to initiate relative motion such that the needle tip 164 and the sample surface are close together. This movement continues after the needle tip is in contact with the sample surface to measure surface compliance. By using the magnetic bias configuration of FIGS. 4A-4D described above and increasing the current applied to the drive coil, the tip of the needle is deflected to the sample surface. The arm deflection and force plot shows how much the surface reacts to the applied force. If the surface is plastic and soft, the same force will cause a greater deflection compared to a hard surface, and vice versa.
[0063]
By using the second sensor to measure one or more features other than the change in height of the sample surface at the position of the sample surface that interacts with the needle tip 164, at one or more surface locations. The scanning device of this application can be used to detect substantially the same height and other features of the sample at one or more locations. This can be done with or without both fine and coarse adjustment stages. In other words, it is possible to use only the coarse adjustment stage or only the fine adjustment stage, so by providing the sensor assembly at a special position with respect to the sample surface, Measure height and one or more parameters at any position.
[0064]
The following description relates to a method for probing surface features and comes from related applications, such a description referring to FIGS.
[0065]
FIG. 14 illustrates the invention of the related application and describes an apparatus for locating and measuring features of interest on a sample surface. As shown in FIG. 14, the apparatus 1020 includes a scanner head 1022, a sensor 1024, a needle tip or probe tip 1026 for detecting a feature 1030 of interest on the surface 1032 of the sample 1034. It is. The alignment of the probe 1026 is controlled by a precise control block 1036 that is controlled by the system controller 1038. System 1020 is a profilometer of the type described in Wheeler US Pat. No. 5,309,755. In such a case, the probe 1026 remains in contact with the surface 1032 and the probe moves up and down as the shape of the surface changes as the tip crosses the surface. The sensor 1024 detects a change in the position of the tip of the probe 1026 in order to measure the form of the surface 1032.
[0066]
The system 1020 is also a scanning probe microscope, in which case the probe 1026 is in contact or non-contact with the surface 1032. Rather, the probe 1026 is maintained at a predetermined distance from the surface 1032 or a position in contact with the surface by moving the scanner, sensor, and probe up and down by a feedback signal. Then, the change in the feedback signal indicates the form of the surface 1032. One type of scanning probe microscope is described in US Pat. No. 4,724,318. The sensor 1024 is also a capacitance, magnetic force, van der Waals, electrical resistance, or current sensor that senses parameters in addition to surface morphology or topography. In such a method, even if the feature of interest is not optically detected, as long as the feature exhibits other detectable characteristics such as magnetic force, capacitance or resistance, or van der Waals force, the feature is still It is positioned and measured.
[0067]
FIG. 15 is a cross-sectional view of a surface area of interest having features 1030 of interest for illustrating the invention of the related application. Initially, a target area 1040 on the surface is identified. Once the dimensions of the located features are known, it is desirable to scan the probe 1026 along lines that are substantially parallel, and the spacing d between adjacent lines can be detected as illustrated in FIG. It is narrower than the expected dimensions of the feature being made. As shown in FIG. 15, the probe 1026 is scanned along seven scan lines, and the distance d between adjacent scan lines, eg, 1042 and 1044, is narrower than the expected dimension of the feature. is there. In FIG. 15, the spacing d is about 75% of the expected dimension of the feature. The spacing maximizes the amount of information, but is spaced so that the scan does not lose features. Preferably, such spacing is in the range of 50-85% of the expected dimensions of the feature.
[0068]
For many features of interest, it is important not only to align the features, but also to align the centers of the features. In this way, the center of such a feature is detected for tungsten plugs, vias or clusters of conductive members, raised depressions on the surface of the processed hard disk, or pull tip depressions of the read / write head. Performing measurements with a probe in the center is useful and often important. FIG. 16 illustrates an exploration method for locating the center of a feature, which is a schematic representation of a surface window or target area 1040 with a feature 1030 on or in the sample. As shown in FIG. 16, the probe tip is first scanned along scan line segment 1052 (1), scan line segment 1052 (2), scan line segment 1052 (3), and if necessary. Followed by additional scan line segments. Sections 1052 (2), 1052 (3), and the additional line sections are substantially parallel to section 1052 (1). As the probe scans along such a line segment, the sensor 1024 may include a feature 1030, in terms of electrical resistance or capacitance, magnetic force, van der Waals force, or other feature having a detectable characteristic. Used to detect. Thus, sensor 1024 detects feature 1030 when the tip of probe 1026 is scanned along scan line segment 1052 (3). The sensor 1024 detects not only the presence of the feature 1030 but also the boundary points A and B of the feature 1030 along the scanning line section 1052 (3), and outputs it to the system controller 1038 that displays it.
[0069]
As soon as the sensor 1024 detects the presence of the feature 1030, the system controller 1038 causes the positioning control circuit 1036 to follow the scan line section 1052 (3) even though some portion of the range 1040 remains undetected. An instruction is given to end the scanning operation. When the boundary points A and B become clear, the midpoint C between the points A and B is determined, and the system controller 1038 and the positioning controller 1036 cause the scanner 1022 to scan along the scan line segment 1052 (4). Scan line segment 1052 (4) passes through point C and crosses scan line segments 1052 (1) -1052 (3). Sensor 1024 detects boundaries D and E of feature 1030 along scan line segment 1052 (4). Then, the midpoint O of the scan line segment 1052 (4) between points D and E is determined to be the center of the feature 1030 and passes through the center O of the feature 1030 to measure the feature, by the controllers 1036 and 1038. Scanner 1022 moves the probe along scan line section 1052 (5). The system controller 1038 stores the output of the sensor 1024 and determines the positions of points A, B, C, D, E, and O. The boundary points A, B, D, and E are found by detecting the change of the feature on the surface.
[0070]
If it is not important to determine the center of the feature and measure the feature at that center, the above exploration process will become apparent when the feature 1030 is detected along the scan line segment 1052 (3). If it does, it ends. The feature is simply measured at point C, for example.
[0071]
From the above processing, it is clear that the exploration method of the invention of the related application is superior to the conventional exploration technique. Since no optical system that is separated and separated from the system 1020 is used to determine the proper position of the feature 1030, the exploration method of the related application invention is based on an optical system using one or more lenses. It is not limited by resolving power or convergence power. Since the device for measuring the feature is also used to position the feature, the method of the invention of the related application does not require a measuring probe or sensor to be provided for the feature after the feature is positioned. . Furthermore, it is not necessary to acquire data for the entire target area 1040 before the position of the feature is accurately determined. Instead, once a feature is found, it is not necessary to scan the remaining portion of the target area that has not been scanned, and the user can proceed with the measurement of the feature immediately. This effectively obtains the amount of information and eliminates the waste of user resources.
[0072]
The advantages of the related application invention will become more apparent with reference to specific examples. The feature of interest is an object with a diameter of 1 micron. Assume that it is possible to first identify features with an accuracy of ± 2 microns. That is, the object is first located within a 4 micron x 4 micron target area at best. It then detects the area of interest along the 4 micron long scan line segment along the x direction and moves the probe 1026 in the y direction every time to a deduction of 0.75 microns until one of the scan lines crosses the object. . That is, a maximum of five scanning lines are required to cross the object of FIG. When the scan line crosses the object of interest, the appropriate center of the feature is determined by similar means as described above in FIG. That is, after a maximum of six scans have been completed, the center of the object is positioned and feature measurement begins. The maximum time required from a total of 6 scan lines is 10 seconds, even though each 4 micron scan line segment takes 1 second to scan. Conversely, to obtain 256 data points on each of the 256 scan lines in the 4 micron x 4 micron range at a rate of 1 line per second, 4 minutes and 30 seconds are required to process. This is necessary, and the data points on all the scanning lines other than one of the scanning lines 256 are wasted.
FIG. 18 illustrates the invention of the related application and is a typical cross-sectional view of surface features.
[0073]
19A-19I are schematic illustrations of a surface area of interest including features and exploration scan sections for purposes of illustrating embodiments of the invention of the related application. As described above, the surface area of interest 1040 'is defined as including the features of the object 1030' to be positioned and measured. The two scanning directions are defined by a scanning line section 1062 along the first direction and a scanning line section 1072 along the second direction. The first and second directions intersect each other. As shown in FIGS. 19A-19I, the area of interest 1040 ′ is on a non-planar surface, and the scan line segments 1062 and 1072 are curved segments rather than straight segments. Nevertheless, a similar probing method is used to locate the surface feature 1030 '. Thus, as shown in FIG. 19D, feature 1030 ′ is found when tip 1026 is scanned along scan line section 1062a. Again, the boundary points A ′, B ′ detected by the sensor 1024 are stored by the system controller 1038, the midpoint C ′ between the points A ′, B ′ along the section 1062a is determined, and the probe Scan along scan line section 1072a in the two directions. The system controller 1038 stores the boundary points D ′ and E ′ detected by the sensor 1024, and the midpoint O ′ between the points D ′ and E ′ along the section 1072a is the appropriate center of the feature 1030 ′. Is determined. The probe is then scanned along scan line section 1062b and the feature 1032 ′ is measured by sensor 1024.
[0074]
FIG. 19G illustrates a scanning method, in which a feature can be positioned without necessarily finding the center of the feature. In such cases, the exploration ends after the features are found. The features are then measured after completing the exploration without further scanning the surface. Instead, the features are measured along scan line section 1072a in FIG. 19G. As shown in FIG. 19H, when a feature is targeted, the feature center becomes more meaningful in some applications, and it is important to measure the feature at such a center. FIG. 19I illustrates an exploration method for a substantially rectangular window with a flat surface.
[0075]
20A-20C are schematic illustrations of scan paths operated in different modes from the surface area of interest with features of interest, illustrating the invention of the related application, including non-contact mode, intermittent contact mode, and contact mode. Is. FIG. 20A is a schematic diagram of the area of interest and scanning path illustrating the intermittent contact mode. As shown in FIG. 20A, the tip of probe 1026 is scanned along scan line segments 1162a, 1162b, 1162c, and 1162d, which are substantially parallel to one another. As shown in FIG. 20A, the tip of the probe 1026 traverses the surface 1040 ′ along each scan line section in intermittent contact mode. In the case of scan line section 1162a, the probe does not initially touch the surface, but proceeds, for example, along section 1162a 'of section 1162a. The tip then falls toward surface 1040 ′ until it contacts the surface along portion 1162a ″, and then the tip contacts the surface 1040 ′ substantially continuously along portion 1162a ′ ″. It is pulled in the state. The tip is again lifted from the surface along portion 1162a ″ ″, and then the cycle described above is repeated as the tip moves across the surface 1040 ′, pulling the scan line section 1162a. The other three scan line segments 1162b, 1162c, 1162d are detected by the tip in a similar manner. The advantage of the intermittent contact scanning described above is that, in some applications, the scanning process time can be reduced compared to an operating mode in which the probe tip is in continuous contact with the surface. This mode of operation also reduces damage that may occur to the probe tip and / or surface due to frictional forces between the probe tip and the surface. The same applies to the non-contact mode compared to the intermittent contact mode or the contact mode.
[0076]
As described above, the tip of the probe is detected along the scan line section 1162d, the boundary points A ′ and B ′ are detected, the midpoint of the scan line section between the points A ′ and B ′ is detected, and The tip of the probe is sensed along a scan line segment or path segment 1162e that crosses another scan line segment to locate the boundary points D ', E' and to center the feature 1030 'as described above. Feature 1030 'is detected.
[0077]
In some applications, it is advantageous to change the mode of operation after the approximate location of the feature is known. Thus, if the detected feature has two different features that are detected separately, the first feature is the surface finds the approximate location of the feature, for example during scanning of the scan paths 1162a-1162d. Used when it is detected. Then, after the approximate position of the feature is located, the user can switch to a different mode of operation to detect the center of the feature. Then, the feature is measured by either one of the two features of the feature or the other feature. However, in many applications it is appropriate to take a similar mode of operation to find the approximate location of the feature in addition to the center of the feature, and to use a different mode of operation when the feature is actually measured . This is illustrated in FIGS. 20B and 20C.
As shown in FIG. 20B, when surface 1040 ′ is sensed using the tip of the probe in intermittent contact mode along scan line sections 1162a, 1162b, 1162c, and 1162d, An approximate position is detected. Boundary points A ′ and B ′ are detected and the surface is scanned along scan line section 1162e to detect boundary points D ′ and E ′, and center O ′ is described above with reference to FIG. 20A. Detected in a similar manner. However, after center O 'is positioned, system 1020 operates in contact mode and probe tip 1026 is scanned along scan line section 1162f' through center O 'to measure features. When in contact with the surface 1040 ′.
[0078]
In FIG. 20C, the boundary points A ′, B ′, D ′, E ′ and the center O ′ of the feature 1030 ′ are scanned in the same way as described above with reference to FIG. 20B in the scan line segments 1182a, 1182b, 1182c, First, the probe tip 1026 is positioned along 1182d, 1182e, which is not in contact with the surface 1040 'when the probe tip is scanned along the sections 1182a-1182e. Except when. After the center O ′ of feature 1030 ′ is positioned, system 1020 operates in intermittent contact mode along scan line section 1182f to measure the feature. Clearly, as shown in FIG. 20C, without measuring features in intermittent contact mode along scan line section 1182f, using non-contact or contact operating modes along such scan line section. It is also possible to measure features. Similarly, in FIG. 20B, it is possible to measure feature 1030 ′ in intermittent contact mode or non-contact mode. Such other changes are within the scope of the invention of the related application.
[0079]
Different modes are appropriate for different measurements. For example, it is appropriate to use intermittent or non-contact modes to find magnetic or electrical changes. Contact or intermittent contact mode is more desirable for accurate geometric measurements. The features have magnetic features that are measurable as well as rough surfaces. It is positioned in non-contact mode and measured in contact mode. However, if such a feature is very rough, it is desirable to measure it in intermittent contact mode, to avoid the inherent frictional effects of continuous contact technology, such as tip or surface This is to prevent damage to the machine.
[0080]
The scanning speed during the intermittent contact mode is also faster than the contact mode. And after the feature is positioned and its center is detected, if the feature, such as its outer shape or geometric shape, is desired or required, it is a different action than that used to position the feature and center Measured in mode. Thus, when measurement of a feature's geometry or profile is desired, system 1020 can be operated in either contact mode or intermittent contact mode.
[0081]
In some applications, it is desirable to be able to locate the feature boundary and / or center more accurately. In such applications, it is desirable to repeat the exploration process described above with a higher resolution. This is illustrated in FIG. 20D. As shown in FIG. 20D, the surface area of interest 40 is first scanned by the probe tip along the scan line sections 1192 (1), 1192 (2), and 1192 (3), where the features A proper positioning of 30 ″ is detected during the scan along scan line section 1192 (3). And the smaller target area 1040 '' is limited to enclose the feature 1030 '', and the scanning process is scan line segments 1194 (1), 1194 (2). . . Where the spacing between adjacent scan lines is less than between scan lines 1192 (1), 1192 (2), and 1192 (3). Desirably, the entire area of interest 40 '' is scanned to more accurately locate the feature boundary points. Different boundary points such as A ″, B ″, A ′ ″, B ′ ″ only determine midpoints corresponding to only two boundary points such as A ″, B ″. However, if considered as determining the position of the scan 1196 across, the center of the feature 1030 '' is more accurately positioned. For example, more accurate positioning can be achieved by averaging positioning between the midpoint corresponding to the boundary points A ″ and B ″ and the midpoint corresponding to the boundary points such as A ′ ″ and B ′ ″. It is done by doing.
[0082]
To measure the outer shape or geometric shape of the surface, as seen in FIG. 21A, the system 1020 lifts the probe tip from the surface to a predetermined distance h, and the lateral direction in which the tip moves. Is then lowered again to contact the surface and the distance to the lowered position before the probe tip again contacts the surface is recorded. Preferably, the tip is again lifted from the contact point to a distance h, moved laterally by a distance δx, lowered again to contact the surface, and the lowered tip distance is recorded again. This process is repeated until the scan across the target area is completed. By recording the distance δx as described above and the distance at which the tip is repeatedly lowered before contacting the surface in the intermittent contact mode during scanning, it is possible to display the geometric shape or outer shape of the surface.
[0083]
In the example of FIG. 21A, the probe tip is lifted after being lowered to contact the surface without dragging the probe tip along the surface 1200. In other words, the probe tip lightly contacts the surface 1200 before it is lifted, and the probe tip does not move laterally across the surface while in contact with the surface. In some applications, in the embodiment illustrated in FIG. 21B, it may be desirable to pull the probe tip along the surface after the probe tip has been lowered to contact the surface. After the probe tip is pulled along the surface 1200 for a predetermined distance, the probe tip is lifted again to a predetermined distance, e.g., h, and moved laterally to a predetermined distance, Then, it is lowered so as to come into contact with the surface 1200 again. After the tip contacts the surface, the tip is again drawn along the surface for a predetermined distance, and the process described above is repeated until the scan across the entire area of interest is completed as described above. In addition to recording the amount h, δx, and the distance the tip is repeatedly lowered before contacting the surface in the scan interrupted continuous contact mode, in the mode of operation of FIG. As it is pulled along, it also records the change in height of the probe tip. Such information along with h, δx, and the distance lowered until the tip contacts the surface, displays the surface geometry or characteristics when the system 1020 operates in the mode illustrated in FIG. 21B. .
[0084]
Yet another mode of operation of the system 1020 in intermittent contact mode is illustrated in FIG. 21C. Such a mode is similar to that of FIG. 21A, and in the mode of operation of both FIGS. 21A and 21C, the tip of the probe is traversed across the surface after being lowered to contact the surface. Does not move in the lateral direction so as to drag, and then the tip is raised to a predetermined height h. However, unlike moving the probe tip up and down and substantially horizontally along a straight line as in FIG. 21A, the tip in FIG. 21C approximates the surface 1200 until it scans across the area of interest. Move along a sinusoidal path. Such and other variations are within the scope of the related application.
[0085]
A number of different types of features are positioned and measured in the manner described above. In the semiconductor industry, it is often desirable to position tungsten plugs, metal clusters, or via holes filled with metal to measure special geometric, magnetic or electrical parameters. In this way, via holes filled with tungsten plugs, metal clusters or metal members are positioned by detecting changes in the capacitance, magnetic force, electrical resistance or geometric properties of the location. Thus, when the system 1020 is operating in a non-contact mode of operation, the tip is held at a position slightly above the surface and scans the surface at a high speed along the probe pattern so that the sensor 1028 is A change in surface capacitance, tunneling current or magnetic parameter (eg, magnetic force detected by probe tip and sensor 1024) is detected. Changes in capacitance, tunneling current or magnetic force reveal the location of tungsten plugs, metal clusters, or via holes filled with metal. Once this position is determined, the needle or probe is in contact with or in close proximity to the surface to measure the electrical, magnetic, or geometric properties of the part. Instead, the system 1020 operates in an intermittent contact mode, where surface resistance, capacitance, or magnetic parameters are sensed at the location scanned by the sensor 1024. Changes in resistance, capacitance, or magnetic parameters reveal the location of tungsten plugs, metal clusters, or via holes. For example, a change in resistance is manifested by a change in the amount of current flow between the needle tip and the surface. If the amount of current flow increases, it means that the needle is in contact with or close to the tungsten plug, metal cluster or via hole. The maximum current will flow when the tip contacts or is close to the plug, cluster, or via hole. In addition, as the distance between the tip and the via hole seen in the plug, cluster, or metal decreases, the capacitance between the tip and the surface of the probe also decreases, because the insulation effect of the distance between the surface and the tip is reduced. This is because it decreases. When the tip moves toward a feature such as a plug or cluster made of a magnetic member or a via hole filled with such a member, the magnetic force between the tip of the probe also causes the feature and tip to Increase until the maximum amount of contact is reached. This allows the user to align plugs, clusters, or via holes. After the plug, cluster, or via hole is positioned, the electrical, optical, magnetic, or geometric properties of the feature are measured. The effects described above can be detected, and features can be detected in contact, intermittent contact, or non-contact modes.
[0086]
The above description applies to the process of positioning and measuring magnetic features according to magnetic parameters such as magnetic force. This is done with a magnetic force microscope that measures the magnetic force generated between the sensor 1024 and surface features such as magnetic domains. Such a magnetic domain is a pole tip depression on the magnetic read / write head. The magnetic force microscope uses an atomic attractive microscope or profilometer in an AC or DC amplifier as described in known magnetic microscope applications. The magnetic microscope is entitled “Scanning Tunneling Microscope II”, Volume 28 of the “Springer Series of Surface Science”. Glutele, H. Jay. Mamin and Di. Written by Rugal, ED. R. Visendenger, H. Jay. Ganteroad, Springer Publishing Berlin, Heidelburg 1992, published on pages 152-207.
[0087]
Another feature of the parameter used to locate the feature is the tunneling current between the feature and the probe tip. For example, metal clusters on a semiconductor surface have completely different current tunneling properties for the probe than for the semiconductor surface.
[0088]
In addition, other possible features that are positioned and measured according to the invention of the related application are unfilled via holes or surface bumps or depressions on laser processed hard disks. The constant size of these bumps and indentations is an important factor in hard disk manufacturing. There are also different size and shape changes in these ridges on the disk. The ridges may be donut shaped or asymmetric about one or more axes. Such machined disk patterns are generally known and the user is usually interested in measuring important features of these several ridges around the disk. In other words, it is desirable to accurately position the ridge or depression below the tip of the measuring probe or under the needle. The size of the ridges is in the range of 1 to 10 microns in lateral dimensions and in the range of 100 to 1000 angstroms in height. The appropriate location of such ridges and indentations and the center of such ridges and indentations are positioned in the manner described above, and in particular in the intermittent contact and contact modes described above to align geometric features. Method is used. When the intermittent contact mode is used, the quantity δx and height h used in FIGS. 21A-21C are selected so that the tip of the probe does not “jump over” the bumps or depressions. A suitable range for h is 10 to 1000 angstroms, and a suitable distance for δx is a fraction of the expected size of the feature of interest. Thus, the ridge is a donut shape having a ridge in the center of the donut shape and a diameter of 5 microns. On the surface around the center of the ridge, the diameter of the ridge along two orthogonal axes, the height of the ridge (the ridge around the perimeter of the laser ridge), and the height of the ridge relative to the unprocessed part adjacent to the ridge The height of the bulge raised at the center is important.
[0089]
If it is desirable to locate the step on the surface, the user may wish to find the proper location of the step by moving the probe tip in intermittent contact mode. After the approximate position of the step is found, the user may wish to rescan the approximate position in contact mode. After the position of the step is found, the user can clarify the step, move it laterally over the step, and move it down a known distance until it touches the top of the step and lowers the tip across the surface. You may move the probe tip or needle away from the surface. The difference between the distance that the tip is lifted and the distance that the tip is lowered represents the height of the step. Instead, when the position of the step is found, the probe tip moves across the surface of the step in contact mode while the tip of the probe climbs or rises up the step by a lateral sensor. When a step is detected, the sensor measures the lateral configuration of the step or groove, or tungsten plug or via hole, using lateral detection techniques as described in US Pat. No. 5,347,854. Used to do.
[0090]
Another feature of a surface positioned and measured according to the invention of the related application includes a rough portion on a smooth surface or a smooth portion on a rough surface. The contact mode or intermittent contact mode actuation system 1020 as shown in FIG. 21B is used with a friction sensor to detect a change in friction between the tip of the probe or the needle and the surface. A suitable friction sensor is described in “Super Microscope”, 42-44 (1992), pages 1498-1503 of El Sebiere Science Publishing, entitled “Independent scanning force and friction microscope”. Hip, H. Viefeld, Jay. Corquero, Oh. Multi, Jay. Described by Marinex.
[0091]
As described above, the probe tip is scanned along scan line segments that are substantially parallel to each other. However, this is not a required factor and other scan paths are possible, as illustrated in FIGS.
[0092]
Instead of scanning at the tip of the probe along a substantially parallel scan line, the features 1030 'in the surface window 1040' are aligned by a substantially random positioning configuration as illustrated in FIG. Is done. Initially, a grid 1198 is overlaid on the window 1040 ′. The grid size of the stitch is selected to be smaller than the expected feature size or object of interest to be aligned. For example, the grid has dimensions within 50% to 85% of the expected size of the feature or object of interest. As shown in FIG. 22, substantially random locations or positions a, b, c, d, e, f,. . . First occurs in the surface window 1040 ′ at the grid intersection 1199 (not shown consecutively beyond position f in FIG. 22 for obvious reasons below) and system 1020. , The tip of the probe becomes a, b, c, d, e, f,. . . Are successively aligned with each of the positions specified consecutively. As shown in FIG. 22, the tip of the probe first detects the presence of feature 1030 ′ when placed or aligned at position f. In order to further detect feature information at this point, successive random points a, b, c, d, e, f,. . . It is more effective to continue with the structure of different alignments, instead of continuously continuing after f. Instead, it is preferable to scan with the tip of the probe along two intersecting directions in succession. For example, the tip of the probe scans along two orthogonal directions X and Y in FIG. 22 and aligns the center of the feature in the manner described above with reference to FIGS. Once the feature centers are aligned, the probe tip scans over such centers to measure the features.
[0093]
In another embodiment, after a feature is detected at position f by placing the tip in a continuous random position to obtain further information about the feature, the probe tip is featured along a new axis. To find the region 1030 ', move along the + X, -X, + Y, -Y axes in various orders. The region is found by detecting a change or variation with a parameter detected by a tip or a sensor.
[0094]
Thus, the tip of the probe initially moves from position f to position 1 and to position 2 to align the region along the positive direction of the Y axis. When the tip of the probe moves from position 1 to position 2, after the area in the direction is detected, it is detected that position 2 is outside the area. Then, the probe moves from position 1 to position 3 on the positive direction of the X axis. It is detected that position 3 is within the feature, and it is detected that both points are out of the feature while the tip moves continuously with positions 4 and 5, so that position 3 becomes the feature region. It becomes clear that there is. Then, the tip moves in the −Y axis direction from the position 3 toward the position 6 where it is detected to be within the feature. Then, the tip of the probe moves along the X direction to positions 7 and 8 where it is detected that it is inside the feature, and moves along the Y axis direction to a position 9 where it is detected that it is outside the feature. Moving. And it moves to the position 10 where it is detected that it is within the feature. Therefore, an approximation of the feature region can be obtained by drawing a line connecting positions 1, 3, 6, 7, 8, and 10. In a similar manner, the rest of the region is detected, and the approximation of that region draws a line through positions 10, 13, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 29 and the point back to position 1. It will be displayed. In the process described above, the system 1020 records the position of the tip and records such detection results when feature detection is being performed.
[0095]
Another means that can be used to position the surface feature 1030 '' is to scan the tip of the probe along a helical path, as in the method shown in FIG. As shown in FIG. 23, the probe tip 1026 is scanned along a path starting at a point from 1200 indicated by arrow 1202. When the probe tip returns to the initial position 1200, it begins to scan the helix along the path 1204. The spiral scan has different curves in adjacent portions of the scan path, and therefore has a different curve slope, for example, the curve path at position 1206 is curved as shown in FIG. The portion 1208 has an inclination θ, while the portion 1208 has an inclination of φ, where φ is larger than θ. In other words, the slope of the curve increases as the tip of the probe moves along the helix, so that the tip of the probe gets closer to a smaller area of interest in order to locate the feature. The angle of inclination of the curve in the adjacent portion of the spiral path (eg, location 1206, 1208) is not far from the expected magnitude of the feature. As shown in FIG. 23, the probe tip detects the presence of a feature point at 1208 or in the vicinity thereof. At such a position, the angle of the curve of the spiral path increases and the spiral path covers a smaller area than when no feature location is found. This accelerates the process of exploring feature boundaries. The location of the tip where the feature boundary was found (eg, when a change in the nature of the feature is detected) is recorded so that the location of the feature can be more accurately defined.
[0096]
Thus, in general, the predetermined scanning path initially finds the approximate location of the feature. Once that is known, it may be desirable to stop scanning along that path and scan the tip in a different path so that more information about the feature is obtained. The predetermined scan path described above may be a set of substantially parallel scan line portions, such as 1062a, as shown in FIGS. 19D to 19G. Alternatively, it can be a series of substantially random arrangements in FIG. 22, or a spiral path from points 1200 to 1208 in FIG. After the feature point is found, it is desirable to switch to a different scan path in order to find more information about the feature. Thus, as shown in FIGS. 19E-19I, 20A, 20B, 20C, the tip is scanned along passages 1072a, 1162e, 1182e, where the information obtained in the previous scan is This is used to determine the correct passage. In FIG. 22, scanning is performed along a path defined by X, Y or positions 1, 2, 3, 4..., Except for the information that the feature point has been detected. Information is not used. In FIG. 23, the information about the angle of the curve of the previous scanning path (for determining the new angle of the curve) and the information of the detected position of the feature are used in the same way, and scanning beyond the position 1208 is performed. Is called.
[0097]
Instead of scanning the tip along the spiral path shown in FIG. 23, the spiral path can be made substantially linear as shown in FIG. As shown in FIG. 24, the probe tip is scanned helically to swivel a smaller area, but adjacent portions of the passage are scanned so that they are effectively parallel to each other. Such or other spiral passage variations are within the scope of the present invention.
Instead of scanning the probe tip along parallel paths that always start from the same end, it is also possible to scan along a twisted path 1250 as shown in FIG. Scanning the tip of the probe along the twisted path scans the same position on the surface as compared to a scanning structure where the probe must return to the same side of the target area to disturb the position of the feature. The time required for this can be reduced.
[0098]
The related application of the present invention has been described in connection with the preferred embodiment described above.
Various changes and modifications are possible without departing from the scope of the invention of this related application.
In this way, the feature can be detected by means of thermal properties, for example a temperature sensor measuring conductivity.
Although the related application of the present invention has been described with reference to the surface characteristics of the sample, the surface, function characteristics can be detected or detected by other examples, such as electrical, magnetic, optical, thermal, or other means. The same applies to the detected feature.
The preceding chapter was taken from the related application.
[0099]
FIG. 26 is a schematic view of a conventional scanning probe microscope used for explaining the present invention. As shown in FIG. 26, the scanning probe microscope (SPM) includes a coarse adjustment XY stage 1502a and a coarse adjustment Z stage 1502b. The sample 90 is placed on the stage 1502a. The SPM sensor 1504 is provided on a fine adjustment XYZ stage (which is provided in the block 134) 1506, which is coupled to the stage 1502b by a block 1508.
The conventional SPM 1500 can perform a scanning operation as described with reference to FIGS.
[0100]
FIG. 27 is a schematic diagram of a scanning device that includes an SPM sensor 1504 and a profilometer sensor assembly 60. Both sensors or sensor assemblies are provided on a fine-tuning XY stage, which can be any of the fine-tuning stages described above, such as 70, 70 ', 70''and70'''. Good on stage. As shown in the previously described dual stage scanning device embodiment, the fine adjustment stage 70-70 '''is finer than an XY positioning stage using a conventional needle profilometer. Since it has resolving power, the positioning resolving power is greatly improved, leaving all the advantages of the conventional profilometer of the needle. The system 1550 is superior to the SPM in that it possesses many advantages of the profilometer, such as a wide operating range in the Z direction and a long scanning capability in the hundreds of millimeters.
[0101]
The device 1550 is controlled in accordance with the flow shown in FIG. 2, and is not different from that described with reference to such a drawing. Either the SPM sensor 1504 or the profilometer sensor 60 can be used, and both are mounted on a fine adjustment XY stage 70-70 ′ ″. Thus, the control device 110 is used in the fine adjustment stage shown in FIG.
FIG. 28 is a schematic diagram of a scanning device having an SPM sensor and a profilometer sensor. The SPM sensor is provided on an SPM fine adjustment XYZ stage (the stage is provided on a block 134). However, the profilometer does not describe another embodiment of the present invention. In the system 1600, since the profilometer is not provided on the fine adjustment stage, only the SPM sensor is used for detection of 1 nm or 1 nm or less, while the profilometer is a conventional needle profilometer as before. As shown in FIG. Both systems 1550 and 1600 will be utilized for the scanning operation described with reference to FIGS. 30-34E. The control device 110 is used to control the fine adjustment stage 1506 of FIG.
[0102]
FIG. 29A is a diagram showing a surface shape, for example, that of a semiconductor wafer. As shown in FIG. 29A, the surface 1602 is bowed. There are holes at points AA and BB. As described above, the conventional needle type profilometer cannot detect the local features of the holes AA and BB shown in FIGS. 29B and 29C even if the shape of the surface bow can be detected. On the other hand, the SPM can detect local features such as via holes AA and BB, but cannot detect the outer shape 1602 or the relative height of the two via holes AA and BB. The present invention according to this application can detect the overall characteristics of the surface 1602, the contours of the local points AA and BB, and the relative heights of the two via holes.
[0103]
To obtain the overall shape of the surface, a long scan is performed along the first scan path 1612 as shown in FIG. A number of short scans along the scan path 1614 are made at or near the location of the long scan path 1612, which has a higher resolution than that used for long scans, and is shown in FIGS. 29B and 29C. As shown, shapes of 1 nm or less than 1 nm are obtained. If the same probe tip is used for the long scan path 1612 and the short scan path 1614 in the profilometer or scanning probe microscope, and the sensed data is correlated at the XYZ position of the tip The relative height and local shape, for example, the shapes of via holes AA and BB can be determined as shown in FIG. 29A. Even if a long scan along the path 1612 is performed at the tip of the probe different from that used for the short scan path along the scan path 1614, as long as the relative positions of the two probe tips are known, Height and local features, such as via holes that are far apart and kept at a constant distance on the wafer surface, can be correlated. As can be seen in FIG. 30, short scans are taken along directions that are not parallel to each other or to the long scan path 1612. The long scan path 1612 is in the range up to 500 mm. Since the tip of the probe is scanning along either a long scan path or a short scan path, features inside the surface or at the top of the surface can be detected in any of the ways described above. Such a feature has a resolution of 0.1 to 5 nm for short scans, 1 to 5 nm in the direction parallel to the surface (ie, the XY plane), and 5 in the direction perpendicular to the surface of the sample (ie, the Z direction). Is detected with a resolution of 10 nm.
[0104]
In this manner, the feature sensed in connection with FIG. 30 may be an outline or other geometric parameter, or an electrical, magnetic, optical, thermal, frictional or van der Waals force. If desired, the scanning system is used to detect various scanning parameters in the short scan path 1612 ′ rather than being detected in the long scan path 1612. In fact, different parameters are detected with different short scans 1614.
[0105]
The scanning operation shown in FIG. 30 will be performed by any of the dual scanning devices described above. The coarse adjustment Z stage 80a and the coarse adjustment XY stage 80b are used to move the sensor assembly and the probe tip along the long scanning path 1612. Used to move the sensor assembly and probe tip in the direction of a short scan. In system 1500, for example, coarse adjustment stages 1502a, 1502b are used to induce relative movement along long scan path 1612 between sensor 1504 and sample 90, and fine adjustment stage 1506 is along short scan path 1614. Used to trigger other movements. In system 1550, coarse adjustment stages 80a, 80b are used for long scans and fine adjustment stages 70-70 '''are used for short scans. Either one of the two sensors 60 and 1504 is used for the eight scans shown in FIG. As long as the relative position of the two sensors is known, all scans shown in FIG. 30 are long, for example by fixing the two sensors to each other so that they maintain a fixed relative positional relationship. Data from both short and short can be correlated. Scanning along the long scan path 1612 or the short scan path 1614 may be performed in any of the contact, non-contact or intermittent contact modes described above. The short scan path can be less than 100 microns in length, while the long scan path 1612 can be longer than 100 microns.
[0106]
As shown in FIG. 30, the short scan path 1614a does not cross the long scan path 1612. If it can be assumed that the distance between the scan path 1614 and the scan path 1612 does not drastically change the contours of the surface, the data obtained in the scan path 1614a is the portion of the scan path 1612 near the path 1614a. There is a correlation with what is obtained along. If the short and long scan paths intersect, the user will be able to obtain a more accurate data correlation.
[0107]
Each long scan path 1612 and the shorter scan path 1614 is actually composed of multiple scan line segments, such as 1620, as shown in FIG. Here, scan path section 1620 covers most of the wafer surface, such a scan path allows the user to measure contours of most parts of the wafer surface, and scan line section 1620 is short. The data obtained from such divisions allow observation of local features such as contour shapes such as expected via holes. In one embodiment, the sections 1620 are substantially parallel to one another. As shown in FIG. 32, a long scan from the start point 1630 to the end point 1632 is possible, and a short scan through points 1630 and 1632 along that long scan line is possible. Preferably, a short scan, a short scan through point 1630, is performed prior to the long scan, and a short scan through point 1632 is performed after the long scan.
[0108]
In FIG. 30, a long scan is performed first, followed by a short scan. When the location of the local feature of interest is known, it is preferable to perform several short scans in relation to the corresponding feature of interest first, followed by a region that is not a feature point of interest on the surface. Long scans are performed, but as shown in FIG. 33, at locations optimized for correlating the data obtained with the short scan for each feature point of interest. In this way, an initial short scan is performed through each of the points 1640. The optimized path 1642 is then chosen to obtain the best correlation with the data obtained during a short scan through point 1640. In the preferred embodiment, at least a least squares calculation is made to select an optimized path 1642 based on the location of the point 1640.
[0109]
At any time during the scanning process, the data obtained from the scanning will be analyzed in real time, and the user will be able to realize that it is better to look for specific features of the surface at or near the surface. In such a case, the surface feature search process described above is used by determining a target area, probed by probe tip means within the target area, and by detecting the surface, the feature point of interest is detected. provide. As a result of such a search operation, one scan path is selected as a function of the display. For example, if a dimple is found during the exploration operation, a scan path that will pass through the dimple is selected. As previously mentioned, the exploration process scans the probe tip along a substantially parallel line segment with a width that is offset not exceeding the expected size of the feature being explored. As described above, after the rough location of the feature has been found, it is preferable to scan the tip along other exploration segments across the previous scan line segment to center the feature of interest. .
[0110]
The scan paths, eg 1612, 1614, 1620, include scan line segments that are parallel to each other, such as the spiral segments or the distorted scan line segments shown in FIGS.
[0111]
Figures 34A through 34E illustrate how data from different scans are correlated. 34A in the figure shows the features of three local features CC, DD, EE on the surface. The three features are shown in FIGS. 34B-34D, respectively. As shown in FIG. 34, the surface has features CC, EE on both sides of the indentation and a large area indentation with feature DD at the bottom of the indentation. By the method described above, the overall features of the indentation are measured at high resolution along with local features CC, DD, EE. The correlation of the local features CC, DD, EE is shown in FIG. 34E, showing the depth of the via hole and the three relative heights.
For the sake of brevity, identical components in different figures of the application are labeled with the same numbers.
[0112]
Although the invention has been described with reference to various embodiments, various modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention, and the scope of the invention is defined by the appended claims and equivalents thereof. Should only be limited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a dual stage scanning apparatus for illustrating a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a dual stage scanning device and its control and display device for illustrating a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a schematic diagram of a height sensor connected to a piezoelectric tube serving as a fine adjustment stage of a dual stage scanning device for explaining a first embodiment of a fine adjustment stage and a sensor assembly; It is.
FIG. 3B is a perspective view of two piezoelectric tubes and a height sensor that serve as a fine adjustment stage for explaining a second embodiment of the fine adjustment stage and the sensor assembly.
FIG. 4A illustrates a preferred embodiment of the present invention and is a side perspective view of a sensor assembly using magnetic means where the tip of the needle applies the desired force to the sample.
4B is a cross-sectional view of the sensor assembly of FIG. 4A.
4C is a perspective view of the end showing details of the magnetic needle force biasing means of the sensor assembly of FIG. 4A. FIG.
4D is a block diagram of an electronic device for adjusting the force applied to a needle according to the present invention. FIG.
FIG. 4E illustrates another embodiment of the present invention and is a cross-sectional view of a sensor assembly using capacitive means where the tip of the needle applies the desired force to the sample.
FIG. 5 is a schematic diagram of a dual stage scanning apparatus for explaining another embodiment of the present invention, in which a sample is supported by a fine adjustment stage and a sensor is supported by a Z portion of the coarse adjustment stage. .
FIG. 6 is a schematic diagram of a sensor used in the dual stage scanning apparatus of the present application illustrating one embodiment of the sensor.
7A is a schematic diagram of a sensor of the type shown in FIG. 6 by illustrating different embodiments of the deflection sensor section.
7B is a schematic diagram of a sensor of the type shown in FIG. 6 by showing different embodiments of the deflection sensor section.
7C is a schematic diagram of a sensor of the type shown in FIG. 6 by illustrating different embodiments of the deflection sensor section. FIG.
7D is a schematic illustration of a probe portion illustrating another embodiment of the proximity sensor of FIG. 7C.
8A is a schematic diagram of a sensor of the type shown in FIG. 6 by showing different embodiments of the second sensor in more detail.
8B is a schematic diagram of a sensor of the type shown in FIG. 6 by showing different embodiments of the second sensor in more detail.
8C is a schematic diagram of a sensor of the type shown in FIG. 6 by showing different embodiments of the second sensor in more detail.
FIG. 9 is a schematic illustration of a needle tip used to implement the sensor of FIG. 8A.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the tip of a needle used to implement the sensor of FIG. 8B.
FIG. 11 is a plan view of a deflection sensor made of a flat member for explaining a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a plan view of a fine adjustment stage portion using a piezoelectric stack for explaining the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram of a scanning path on a sample surface by a sensor of a dual stage scanning device for explaining a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram of a surface measurement device useful for describing the invention of the related application.
FIG. 15 is a schematic diagram of a target area of a surface having a feature and a search path for explaining an alignment method that is a feature of the invention of the related application.
FIG. 16 is a schematic diagram of the target area of the surface and the search passage when explaining the search means having the characteristics of FIG. 15 for explaining the invention of the related application.
FIG. 17 is a schematic illustration of a surface area of interest with features and exploration passages illustrating the method in the invention of the related application.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing surface features for explaining the invention of the related application.
FIG. 19A is a schematic illustration of a surface area of interest having features and search passages to illustrate a method of searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19B is a schematic illustration of a surface area of interest having features and a search passage to illustrate a method for searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19C is a schematic illustration of a surface area of interest having features and search passages to illustrate a method of searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19D is a schematic illustration of a surface area of interest having features and a search passage to illustrate a method for searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19E is a schematic illustration of a surface area of interest having features and a search passage to illustrate a method for searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19F is a schematic illustration of a surface area of interest having features and search passages to illustrate a method for searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19G is a schematic illustration of a surface area of interest having features and search passages to illustrate a method for searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19H is a schematic illustration of a surface area of interest having features and search passages to illustrate a method of searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 19I is a schematic illustration of a surface area of interest having features and search passages to illustrate a method of searching for features as a preferred embodiment of the invention of the related application.
FIG. 20A is for explaining another embodiment of the invention of the related application, and describes a search method using a method of intermittent contact in combination with a contact or non-contact mode. 1 is a schematic diagram of a target area of a used surface.
FIG. 20B is an illustration of another embodiment of the invention of the related application, illustrating features and exploration paths that illustrate exploration methods using intermittent contact methods in combination with contact or non-contact modes. 1 is a schematic diagram of a target area of a used surface.
FIG. 20C is an illustration of another embodiment of the invention of the related application, illustrating a search method using a method of intermittent contact in combination with contact or non-contact mode, and features and search paths 1 is a schematic diagram of a target area of a used surface.
FIG. 20D is a schematic diagram of a larger and smaller target area of a surface with features and exploration passages in both target areas to illustrate the exploration method of yet another embodiment of the related application; The method is used in contact mode, non-contact mode, or intermittent contact mode.
FIG. 21A is a cross-sectional view of a surface and intermittent search passages to illustrate another embodiment of the related application invention.
FIG. 21B is a cross-sectional view of a surface and intermittent search passages to illustrate another embodiment of the related application invention.
FIG. 21C is a cross-sectional view of a surface and intermittent search passages to illustrate another embodiment of the related application invention.
FIG. 22 is intended to illustrate yet another alternative embodiment of the invention of the related application, including a continuous random positioning method for finding proper alignment of features, and after the location of appropriate features has been located. FIG. 6 is a schematic diagram of a target area of a surface or a search path when explaining a search method using a non-random algorithm for locating a feature range;
FIG. 23 is a schematic illustration of a spiral exploration passage on the surface or on a surface for exploring features on the surface for explaining yet another alternative embodiment of the invention of the related application.
FIG. 24 is a schematic illustration of a substantially polyline spiral exploration passage for aligning surface features to illustrate a further alternative embodiment of the invention of the related application.
FIG. 25 is a schematic illustration of a distorted exploration passage locating surface features for illustrating a further alternative embodiment of the invention of the related application.
FIG. 26 is a schematic diagram of a conventional scanning probe microscope useful for explaining the present invention.
FIG. 27 illustrates yet another embodiment of the present invention and is a schematic representation of a dual stage scanning device including a scanning probe microscope sensor similar to a profilometer sensor, wherein both sensors are the same microscopic. It is mounted on an XY stage for adjustment.
28 illustrates a further embodiment of the present invention, which is a schematic diagram of a dual stage scanning device including the two sensors of FIG. 27, wherein only the scanning probe microscope sensor is mounted on the fine adjustment stage. Is.
FIG. 29 is a schematic illustration of surface features scanned over two points AA and BB to illustrate the present invention.
FIG. 30 is a schematic diagram of a scanning operation illustrating the present invention, where a long scan is performed on the surface as well as a number of short scans, some short scans cross a long scan, and at least one short scan. Is close to a long scan but not across.
FIG. 31 illustrates a scanning pattern for either long scans or short scans to illustrate the present invention, and is a schematic diagram of a scan path that includes a number of substantially parallel scan line portions.
FIG. 32 is for illustrating a preferred embodiment of the present invention, in which a short local scan at the start and end points, as well as a similar scanning device performing a long scan between the start and end points. Fig. 2 is a schematic illustration of a scan path used to perform
FIG. 33 illustrates another embodiment of the present invention, where a number of points are shown in close proximity to the surface, and a local path scan is also shown at such points as well. It is.
FIG. 34 is a schematic diagram illustrating features and three local features and their relative heights for illustrating the present invention.
[Explanation of symbols]
60 Sensor assembly
70 Fine adjustment stage
80 Coarse adjustment stage
80a Z part of coarse adjustment stage
80b XY portion of coarse adjustment stage
90 samples
100 Double stage scanning device
102 units

Claims

In an apparatus for detecting a sample,
A probe having a detection tip for detecting a parameter of the sample;
A coarse adjustment stage for inducing a relative movement between the detection tip and the sample;
A fine adjustment stage for inducing relative movement between the detection tip and the sample;
When the detection tip detects the parameter of the sample, the two stages are controlled so that the detection tip scans across the surface of the sample by the relative movement caused by the coarse adjustment stage. At least one control device,
An apparatus for detecting a sample comprising:

In a method for detecting a sample using a tip for detection,
Scanning the detection tip across a first portion of the surface of the sample by causing a relative movement between the detection tip and the sample by a coarse adjustment stage; and
Relative movement between the detection tip and the sample is caused by a fine adjustment stage, and the detection is performed across a second portion of the surface of the sample that is in contact with or close to the first portion. Scanning with a tip for
Detecting a parameter of a sample when the detection tip is moved by each of the two stages;
A method for detecting a sample using a detection tip comprising: